JP2009525867A - Methods for inducing substance nucleation - Google Patents

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Abstract

物質の核形成の誘導方法を提供する。開示された方法は、物質を相転移温度の近辺又はより下にもって行く段階、及び圧力を変化させて物質の核形成を誘導する段階を含む。開示された方法は、凍結乾燥過程、特に薬剤の凍結乾燥過程において有用である。A method for inducing nucleation of a material is provided. The disclosed method includes moving the material near or below the phase transition temperature and changing the pressure to induce nucleation of the material. The disclosed method is useful in lyophilization processes, particularly in the lyophilization process of drugs.

Description

本発明は核形成方法に関し、更に詳しくは、物質中に相転移の核形成を誘導する方法に関する。この方法において、物質を、最初に相転移温度の近辺、又はそれより低い温度にもって行き、引き続き減圧して、その物質の核形成を誘導する。   The present invention relates to a nucleation method, and more particularly to a method for inducing nucleation of a phase transition in a material. In this method, the material is first brought to a temperature near or below the phase transition temperature and subsequently depressurized to induce nucleation of the material.

この出願は、2006年2月10日に出願した米国特許仮出願番号60/771,868に基づく優先権を主張する。   This application claims priority based on US Provisional Application No. 60 / 771,868, filed February 10, 2006.

凍結乾燥法の凍結段階において、一般的にランダムな核形成過程を制御して、凍結乾燥を完成させるために必要な処理時間を減らすこと、及び、出来上がった産生物において、バイアル瓶間の産生物の均一性を増すことは、両者とも、当技術において高度に望ましいであろう。薬剤の典型的な凍結乾燥過程においては、通例の水溶液を含有する複数のバイアル瓶を棚に置き、それらを、一般的には制御した速度で低温に冷却する。各バイアル瓶中の水溶液は、その溶液の熱力学的凍結温度より低く冷却され、核形成が起こるまで、過冷却された準安定な液体状態のままに置かれる。   In the freezing phase of the lyophilization process, generally control the random nucleation process to reduce the processing time required to complete the lyophilization and, in the finished product, the product between the vials Both will be highly desirable in the art. In a typical lyophilization process of a drug, a plurality of vials containing a customary aqueous solution are placed on a shelf and they are cooled to a low temperature, generally at a controlled rate. The aqueous solution in each vial is cooled below the thermodynamic freezing temperature of the solution and left in a supercooled metastable liquid state until nucleation occurs.

バイアル瓶を通しての核形成温度の範囲は、熱力学的凍結温度近辺の温度と、その熱力学的凍結温度よりはっきりと低い何等かの値(例えば、約30℃まで)の間に、ランダムに任せに分布している。核形成温度のこの分布は、氷の結晶構造が、また、最終的に、凍結乾燥された産生物の物性が、バイアル瓶の間でばらつく原因となる。更に、自然の確率的な核形成現象によって産生される氷結晶のサイズと構造の範囲を調節するために、凍結乾燥法の乾燥段階を、非常に長くする必要がある。   The range of nucleation temperatures through the vial can be left randomly between a temperature near the thermodynamic freezing temperature and some value clearly below that thermodynamic freezing temperature (eg, up to about 30 ° C.). Is distributed. This distribution of nucleation temperatures causes the ice crystal structure and, ultimately, the physical properties of the lyophilized product to vary between vials. Furthermore, in order to adjust the size and structure range of ice crystals produced by the natural stochastic nucleation phenomenon, the drying stage of the lyophilization process needs to be very long.

過冷却された溶液の核形成温度を高めるために、添加剤が使用されてきた。これらの添加剤は、数多くの形態を採ることができる。ある種の細菌(例えば、シュードモナス・シリンゲ)が、過冷却された水溶液中で、氷の形成の核化を助ける蛋白質を合成することは周知である。この細菌、又はそれらから単離された蛋白質のいずれかを溶液に添加して、核形成温度を高めることができる。幾つかの無機添加剤も、核化効果を実証している。最も普通のこの様な添加剤は、沃化銀、AgIである。一般的に、任意の添加剤、又は混入物質は、核化剤として働く潜在能力がある。高レベルの粒子を含有する環境で調製された凍結乾燥用のバイアル瓶では、低レベルの粒子環境で調製されたバイアル瓶より、一般的に、より低い過冷却度で核形成し、及び凍結するであろう。   Additives have been used to increase the nucleation temperature of the supercooled solution. These additives can take many forms. It is well known that certain bacteria (eg, Pseudomonas syringae) synthesize proteins that help nucleate ice formation in supercooled aqueous solutions. Either this bacterium or a protein isolated from them can be added to the solution to increase the nucleation temperature. Several inorganic additives have also demonstrated a nucleation effect. The most common such additive is silver iodide, AgI. In general, any additive or contaminant has the potential to act as a nucleating agent. Freeze-drying vials prepared in an environment containing high levels of particles generally nucleate and freeze at a lower degree of supercooling than vials prepared in a low level particle environment Will.

上記の全ての核化剤は、媒体の組成を変化させ、相転移の核となるので、「添加剤」と名付けられる。これらの添加剤は、米国の食品医薬品局が規制し認可した、凍結乾燥された薬剤製品に対して、一般的に受け入れられてはいない。これらの添加剤は、バイアル瓶が核化し凍結するときに、時間及び温度に対する制御も提供しない。というよりも、添加剤は、複数のバイアル瓶の平均核形成温度を高めるために機能するだけである。   All the above nucleating agents are named “additives” because they change the composition of the medium and become the core of the phase transition. These additives are not generally accepted for lyophilized drug products regulated and approved by the US Food and Drug Administration. These additives also do not provide control over time and temperature as the vial nucleates and freezes. Rather, the additive only functions to increase the average nucleation temperature of the multiple vials.

氷の結晶は、それ自身が、過冷却された水溶液における氷の形成に対して核化剤として作用することができる。「氷霧」法において、湿った凍結乾燥機に冷たい気体を満たし、小さい氷粒子の蒸気懸濁物を産出させる。これらの氷粒子はバイアル瓶中に運ばれ、及び、それらが流体界面と接触したとき核形成を開始させる。   The ice crystals can themselves act as a nucleating agent for ice formation in supercooled aqueous solutions. In the “ice mist” method, a wet lyophilizer is filled with a cold gas to produce a vapor suspension of small ice particles. These ice particles are carried into the vial and initiate nucleation when they come into contact with the fluid interface.

「氷霧」法は、制御された時間及び温度において、複数のバイアル瓶の核形成を同時に制御はしない。言い換えると、凍結乾燥機に冷たい蒸気が導入された際、核形成の事象は、全てのバイアル瓶の内部で一斉に、又は即時に起こることはない。氷の結晶が苦労して各バイアル瓶中に到達して核形成を開始するには幾ばくかの時間がかかるであろうし、また、凍結乾燥機の内部の異なる位置にあるバイアル瓶に対して運ばれる時間は異なることになり易い。大規模な工業的凍結乾燥機に対して、「氷霧」法の実施は、凍結乾燥機のいたる所での「氷霧」のより均一な分布を支援するための内部対流装置が必要とされる可能性があるので、システム設計の変更が必要であろう。凍結乾燥機の棚を連続的に冷却するとき、最初のバイアル瓶が凍結するのと、最後のバイアル瓶が凍結するのとの間の時間差は、多分、それらのバイアル瓶の間の温度差を生み出し、これは、多分、凍結乾燥された産生物における、バイアル瓶間の不均一性を増大させる。   The “ice fog” method does not simultaneously control nucleation of multiple vials at a controlled time and temperature. In other words, when cold steam is introduced into the lyophilizer, nucleation events do not occur simultaneously or immediately within all vials. It will take some time for the ice crystals to struggle to reach each vial and begin nucleation, and will be carried against the vials at different locations inside the lyophilizer. The time spent is likely to be different. For large industrial freeze dryers, implementation of the “ice fog” method may require internal convection devices to support a more uniform distribution of “ice fog” throughout the freeze dryer System design changes will be necessary. When cooling the freeze dryer shelf continuously, the time difference between the first vial freezing and the last vial freezing is probably the temperature difference between the vials. This will likely increase the heterogeneity between the vials, possibly in the lyophilized product.

刻み目をつける、引っかき傷をつける、又はざらざらにすることによるバイアル瓶の前処理も、核形成に対して要求される過冷却の程度を低くするために使用されてきた。他の先行技術方法と同様に、バイアル瓶の前処理も、個々のバイアル瓶が核形成し、及び凍結するときに、時間と温度に対して如何なる程度の制御も与えず、代わりに、全てのバイアル瓶の平均核形成温度を高めるだけである。   Pretreatment of vials by scoring, scratching, or roughing has also been used to reduce the degree of supercooling required for nucleation. As with other prior art methods, vial pretreatment does not give any control over time and temperature as individual vials nucleate and freeze, instead, all It only increases the average nucleation temperature of the vial.

振動も、準安定な物質において相転移の核を形成させるために使用されてきた。核形成を誘導するために十分な振動は、10kHzより高い周波数で起こり、種々の装置を使用して造り出すことができる。この周波数範囲の振動は、10kHzから20kHzの範囲の周波数が典型的にヒトの可聴範囲内であるにも拘らず、「超音波」と呼ばれることが多い。超音波振動は、しばしば、過冷却された溶液中に、キャビテーションを造り出す、即ち小さな気泡を形成させる。一過性の、又は慣性のキャビテーション状況において、気泡は急速に成長し、破裂して、非常に高い、局所的な圧力及び温度の揺動の原因となる。準安定な物質において核形成を誘導する超音波振動の能力は、一過性のキャビテーションによって引き起こされる撹乱に帰着されることが多い。安定な、又は非慣性的と呼ばれる、他のキャビテーション状況は、破壊を伴わない、安定な体積又は形状の振動を示す泡によって特徴付けられる。米国公開特許20020031577 A1は、超音波振動が、安定なキャビテーション状況においてすら、核形成を誘導できることを開示するが、この現象の説明は提示されていない。英国特許出願2400901Aも、10kHzより高い周波数の振動を使用して、溶液中にキャビテーション、及びそれ故に核形成を引き起こす見込みは、溶液の周りの大気圧を低減させること、又は溶液中に揮発性の流体を溶解させることによって増大する可能性があることを開示する。   Vibrations have also been used to form phase transition nuclei in metastable materials. Sufficient vibrations to induce nucleation occur at frequencies above 10 kHz and can be created using various devices. This frequency range vibration is often referred to as “ultrasound”, even though frequencies in the range of 10 kHz to 20 kHz are typically within the human audible range. Ultrasonic vibrations often create cavitation, i.e., form small bubbles, in the supercooled solution. In transient or inertial cavitation situations, the bubbles grow rapidly and rupture, causing very high local pressure and temperature fluctuations. The ability of ultrasonic vibrations to induce nucleation in metastable materials is often attributed to disturbances caused by transient cavitation. Other cavitation situations, referred to as stable or non-inertial, are characterized by bubbles that exhibit a stable volume or shape of vibration without failure. US Patent Publication 200320031577 A1 discloses that ultrasonic vibration can induce nucleation even in stable cavitation situations, but no explanation for this phenomenon is presented. UK patent application 2400901A also uses vibrations with a frequency higher than 10 kHz, and the prospect of causing cavitation in the solution, and hence nucleation, is to reduce the atmospheric pressure around the solution or to reduce the volatility in the solution. It is disclosed that it can be increased by dissolving the fluid.

電気凍結も、過冷却された液体中において核形成を誘導するために、過去において使用された。電気凍結は、一般的に、過冷却された液体又は溶液中に浸漬された、間隔の狭い電極間に、連続的に又はパルス様式で比較的高い電場(約1V/nm)をかけることにより達成される。典型的な凍結乾燥用途において、電気凍結法に伴う難点は、特に複数のバイアル瓶又は容器を使用する凍結乾燥用途に対する、実施及び維持するための相対的な複雑さとコストを包含する。また、電気凍結を、イオン性種(例えばNaCl)を含有する溶液に直接適用することはできない。   Electrofreezing has also been used in the past to induce nucleation in supercooled liquids. Electrofreezing is generally achieved by applying a relatively high electric field (approximately 1 V / nm) continuously or in a pulsed manner between closely spaced electrodes immersed in a supercooled liquid or solution. Is done. In typical lyophilization applications, the difficulties associated with electrofreezing methods include relative complexity and cost to implement and maintain, especially for lyophilization applications that use multiple vials or containers. Also, electrofreezing cannot be applied directly to solutions containing ionic species (eg, NaCl).

近年、「真空誘導された表面凍結」の概念を検討する研究がある(例えば、米国特許第6,684,524号を参照のこと)。この様な「真空誘導された表面凍結」において、水溶液が入ったバイアル瓶を凍結乾燥機中の温度制御した棚に置き、当初、約10℃に保持する。次いで、凍結乾燥室を排気して真空圧近く(例えば、1mbar)にする。これは、数mmの深さまで、水溶液の表面の凍結をもたらす。引き続いて真空を開放し、棚の温度をその溶液の凝固点より低く下げると、前凍結された表面層から溶液の残りを通して氷の結晶の成長がなされる。典型的な凍結乾燥用途におけるこの「真空誘導された表面凍結」法の実施に対する主な難点は、提示された条件下における、溶液の猛烈な沸騰又はガス抜けの危険性が高いことである。   In recent years, there have been studies examining the concept of “vacuum-induced surface freezing” (see, eg, US Pat. No. 6,684,524). In such “vacuum-induced surface freezing”, a vial containing an aqueous solution is placed on a temperature controlled shelf in a freeze dryer and initially held at about 10 ° C. The lyophilization chamber is then evacuated to near vacuum pressure (eg 1 mbar). This results in freezing of the surface of the aqueous solution to a depth of a few mm. Subsequently, the vacuum is released and the shelf temperature is lowered below the freezing point of the solution, causing ice crystals to grow from the pre-frozen surface layer through the remainder of the solution. A major challenge to the implementation of this “vacuum-induced surface freezing” method in typical lyophilization applications is the high risk of severe boiling or outgassing of the solution under the conditions presented.

核形成過程の制御の改良は、凍結乾燥機中の全ての未凍結薬剤溶液のバイアル瓶の凍結がより狭い温度及び時間の範囲内で起こり、それによって、バイアル瓶間の均一性がより大きい、凍結乾燥された産生物を生み出すことを可能にする。最低の核形成温度を制御することは、バイアル瓶中に形成される氷の結晶構造に影響を与え、及び、大幅に加速された凍結乾燥過程を可能にすることができる。   The improved control of the nucleation process is such that freezing of all unfrozen drug solution vials in the lyophilizer occurs within a narrower temperature and time range, thereby providing greater uniformity between the vials, Making it possible to produce freeze-dried products. Controlling the minimum nucleation temperature affects the crystal structure of the ice formed in the vial and can allow a significantly accelerated lyophilization process.

それ故、凍結乾燥を完結させるために必要な処理時間の減少、及び、仕上げられた産生物における、産生物のバイアル瓶間における不均一性の改良の両者のために、凍結乾燥法の、凍結段階を包含する種々の凍結過程における成り行き任せの核形成過程を制御することに対する需要が存在する。それ故、上記特徴の幾つか、又は好ましくは全てを持つ方法を提供することが望ましいであろう。   Therefore, freezing of the freeze-drying method both reduces the processing time required to complete the freeze-drying and improves the heterogeneity between the product vials in the finished product. There is a need to control the delegation nucleation process in various freezing processes including stages. Therefore, it would be desirable to provide a method having some, or preferably all, of the above characteristics.

本発明を、物質中における相転移の核形成を誘導する方法として位置づけてよい。本方法は、物質を、その物質の相転移温度の近辺、又は該相転移温度よりも下にもって行く段階、及び圧力を低減させて、その物質中に相転移の核形成を誘導する段階を含む。   The present invention may be positioned as a method for inducing nucleation of phase transitions in matter. The method includes the steps of bringing the material near or below the phase transition temperature of the material and reducing the pressure to induce nucleation of the phase transition in the material. Including.

本発明を、また、所定の冷却速度で溶液を冷却する段階;圧力を急速に低下させてその溶液の核形成を誘導する段階;及び所定の最終温度まで、核形成された溶液の冷却を継続して、その溶液を凍結させる段階、を含む溶液の凍結過程の制御方法として位置づけてよい。減圧は、その溶液が所望の核形成温度に到達したとき、又は冷却段階の開始後所望の時間で開始される。   The invention also includes cooling the solution at a predetermined cooling rate; rapidly reducing the pressure to induce nucleation of the solution; and continuing to cool the nucleated solution to a predetermined final temperature. Then, it may be positioned as a method for controlling the freezing process of the solution including the step of freezing the solution. Depressurization is initiated when the solution reaches the desired nucleation temperature or at a desired time after the start of the cooling phase.

本発明を、更に、物質を、相転移温度の近辺、又はより下に冷却する段階;その物質直近の圧力を急速に低下させてその物質の核形成を誘導する段階;及び、所定の最終温度まで、核形成された物質の冷却を継続して、その物質の固化を促進する段階、を含む固化方法として位置づけてよい。   The invention further includes cooling the material near or below the phase transition temperature; rapidly reducing the pressure in the vicinity of the material to induce nucleation of the material; and a predetermined final temperature. Until then, cooling of the nucleated material may be continued to promote solidification of the material, and may be positioned as a solidification method.

最後に、本発明を、気体を、相転移温度の近辺、又は該相転移温度よりも下に冷却する段階;圧力を急速に減少させて気体内に核形成を誘導する段階;及び、所定の最終温度まで、核形成された気体の冷却を継続して、気体を凝縮させる段階と、を含む気体の凝縮過程の制御方法として位置づけてよい。   Finally, the present invention provides a method of cooling a gas near or below the phase transition temperature; rapidly reducing pressure to induce nucleation in the gas; and The cooling of the nucleated gas is continued until the final temperature, and the step of condensing the gas may be positioned as a method for controlling the gas condensation process.

本発明の、上記の、及び他の側面、特徴、及び効果は、以下の図面を用いて示された、以下のより詳細な説明から更に明らかであろう。   The above and other aspects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following more detailed description, which is illustrated using the following drawings.

核形成は、物質の小さい領域における相転移の始まりである。例えば、相転移は、液体からの結晶の形成であり得る。結晶化過程(即ち、溶液からの固体結晶の形成)は、核形成事象で始まり、結晶成長がそれに続く、溶液の凍結を伴う場合がある。   Nucleation is the beginning of a phase transition in a small region of matter. For example, the phase transition can be the formation of crystals from a liquid. The crystallization process (ie, the formation of solid crystals from the solution) may involve freezing of the solution beginning with a nucleation event followed by crystal growth.

結晶化過程において、核形成は、溶液又は他の物質中に分散された選択された分子が集合し始めて、ナノメーター尺度のクラスタを造り出し、現下の操作条件で安定になる段階である。これらの安定なクラスタは、核を構成する。これらのクラスタは、安定な核になるために、臨界的なサイズに達する必要がある。この様な臨界的なサイズは、通常、温度、混入物質、過飽和度等の操作条件によって規定され、溶液試料ごとにばらつき得る。核形成事象の間に、溶液中の原子は、規定された周期的な様式で配列し、これは結晶構造を規定する。   In the crystallization process, nucleation is the stage at which selected molecules dispersed in a solution or other material begin to assemble, creating nanometer-scale clusters and becoming stable at current operating conditions. These stable clusters constitute the nucleus. These clusters need to reach a critical size in order to become stable nuclei. Such critical sizes are usually defined by operating conditions such as temperature, contaminants, supersaturation, and can vary from solution sample to solution sample. During the nucleation event, the atoms in the solution are arranged in a defined periodic manner, which defines the crystal structure.

結晶成長は、臨界的なクラスタサイズの達成に成功した核の後に続く成長である。条件に依存して、核形成と結晶成長のいずれかが、他方に対して優勢であり得るので、結果的に、サイズと形状が異なる結晶が得られる。結晶のサイズと形状の制御は、薬剤等に対する、工業的製造における主な難関の一つを構成する。   Crystal growth is growth following a nucleus that has successfully achieved a critical cluster size. Depending on the conditions, either nucleation or crystal growth can be dominant over the other, resulting in crystals of different sizes and shapes. Control of crystal size and shape constitutes one of the main challenges in industrial manufacturing for drugs and the like.

本方法は、物質中で核形成された相転移が起こるときの時間及び/又は温度の制御方法に関する。凍結用途において、物質が自発的に核形成をして、相変化を始める可能性は、物質の過冷却の程度、及び核形成に対する部位又は表面を提供する混入物質、添加剤、構造、又は撹乱の有無に関連する。   The method relates to a method for controlling time and / or temperature when a nucleated phase transition occurs in a material. In freezing applications, the possibility of a substance spontaneously nucleating and initiating a phase change is the degree of subcooling of the substance and the contaminants, additives, structures, or disturbances that provide sites or surfaces for nucleation Related to the presence or absence of

凍結又は固化段階は、凍結乾燥過程において特に重要であるが、現存する技術は、数多くのバイアル瓶又は容器の全域で、核形成温度の差異をもたらしている。核形成温度の差異は、不均一な産生物と過度に長い乾燥時間を産生しがちである。一方、本方法は、バッチ式の固化方法(例えば、凍結乾燥)において、方法制御の程度をより高め、及び構造と特性が更に均一な産生物を産生する。核形成を誘導するための従来技術の幾つかとは違い、本方法は、その遂行に最小限の設備及び操作の変更を要求する。   While the freezing or solidification stage is particularly important in the lyophilization process, existing techniques have resulted in nucleation temperature differences across many vials or containers. Differences in nucleation temperatures tend to produce heterogeneous products and excessively long drying times. On the other hand, the present method produces a product with a higher degree of method control and a more uniform structure and properties in a batch-type solidification method (for example, lyophilization). Unlike some of the prior art techniques for inducing nucleation, the method requires minimal equipment and operational changes to perform.

原理的に、本方法は、核形成相転移を伴う、物質の任意の処理段階に適用することができる。この様な処理段階の例は、液体の凍結、水溶液からの氷の結晶化、溶融物からのポリマー及び金属の結晶化、過飽和溶液からの無機物質の結晶化、蛋白質の結晶化、人工雪の産出、蒸気からの氷の堆積、食品の凍結、凍結濃縮、部分結晶化、低温保存、又は蒸気の凝結による液化を包含する。概念の観点から、本方法を、溶融及び沸騰等の相転移にも適用できる可能性がある。   In principle, the method can be applied to any processing stage of matter with a nucleation phase transition. Examples of such processing steps are liquid freezing, ice crystallization from aqueous solution, polymer and metal crystallization from melt, inorganic material crystallization from supersaturated solution, protein crystallization, artificial snow Includes liquefaction by production, ice deposition from steam, food freezing, freeze concentration, partial crystallization, cryopreservation, or steam condensation. From a conceptual point of view, the method may be applicable to phase transitions such as melting and boiling.

ここに開示されている方法は、現在の薬剤の凍結乾燥方法に対する改良を示す。例えば、大きな工業的凍結乾燥機の内部で、凍結され乾燥される必要がある薬剤の産生物が入ったバイアル瓶は100,000を超え得る。工業における今日の実務は、凍結乾燥機中にある全てのバイアル瓶又は容器中の溶液の凍結を確実にする様に、溶液を非常に高度に冷却することである。しかしながら、各バイアル瓶又は容器の中身は、核形成過程が制御されていないので、凝固点より低い温度範囲にわたって、ランダムに凍結する。   The methods disclosed herein represent an improvement over current drug lyophilization methods. For example, inside a large industrial lyophilizer, there can be over 100,000 vials containing products of drugs that need to be frozen and dried. Today's practice in the industry is to cool the solution to a very high degree to ensure freezing of the solution in all vials or containers in the lyophilizer. However, the contents of each vial or container freezes randomly over a temperature range below the freezing point because the nucleation process is not controlled.

さて、図面、特に図1に注目して、従来の確率論的な核形成過程を経ている、水溶液の6個のバイアル瓶の温度対時間の曲線が描かれている。図は、バイアル瓶内の溶液の典型的な核形成温度範囲(11、12、13、14、15及び16)を示す。その中に見られる通り、バイアル瓶の中身は約0℃の熱力学的凍結温度を持っているが、各バイアル瓶内の溶液は、領域18によって強調されている様に、自然に、約−7℃から−20℃より高い広い温度範囲にわたって核形成する。曲線19は凍結乾燥室の内部の棚の温度を示す。   Turning now to the drawing, particularly FIG. 1, a temperature vs. time curve is drawn for six vials of an aqueous solution undergoing a conventional stochastic nucleation process. The figure shows typical nucleation temperature ranges (11, 12, 13, 14, 15 and 16) for solutions in vials. As can be seen, the contents of the vial have a thermodynamic freezing temperature of about 0 ° C., but the solution in each vial is naturally about −− as highlighted by region 18. Nucleates over a wide temperature range from 7 ° C to higher than -20 ° C. Curve 19 shows the temperature of the shelf inside the freeze-drying chamber.

対照的に、図2と3は、本方法に合致する、減圧された核形成を伴う凍結過程を経ている溶液の、温度対時間曲線を描く。特に、図2は、室の減圧を介して誘導された核形成を伴う平衡化冷却過程(実施例2を見よ)を経ている、水溶液の6個のバイアル瓶の、温度対時間曲線(21、22、23、24、25及び26)を描く。バイアル瓶の中身は、約0℃の熱力学的凍結温度を持つが、それでも、各バイアル瓶内の溶液は、領域28に見られる通り、減圧の際に同時に、及び非常に狭い温度範囲内(即ち、−4℃から−5℃)で、核を形成する。曲線29は、凍結乾燥室内部の棚の温度を示し、また、棚の温度が、減圧に先立って多かれ少なかれ安定に保持されている、平衡化された凍結過程を描く。   In contrast, FIGS. 2 and 3 depict temperature versus time curves for solutions undergoing a freezing process with reduced nucleation consistent with the present method. In particular, FIG. 2 shows the temperature vs. time curve (21, 6) of six vials of an aqueous solution undergoing an equilibration cooling process with nucleation induced via chamber vacuum (see Example 2). 22, 23, 24, 25 and 26). The contents of the vials have a thermodynamic freezing temperature of about 0 ° C., but the solution in each vial is still at the same time during decompression and within a very narrow temperature range (as seen in region 28) ( That is, nuclei are formed at −4 ° C. to −5 ° C.). Curve 29 shows the temperature of the shelf inside the lyophilization chamber and also depicts an equilibrated freezing process in which the shelf temperature is kept more or less stable prior to decompression.

同様に、図3は、室の減圧を介して誘導された核形成を伴う動的な冷却過程(実施例7を見よ)を経ている水溶液の3個のバイアル瓶の、温度対時間曲線(31、32及び33)を示す。今度も、バイアル瓶の中身は約0℃の熱力学的凍結温度を持つが、それでも、各バイアル瓶内の溶液は、領域38に見られる通り、減圧の際に同時に、約−7℃から−10℃の温度範囲で核を形成する。曲線39は、凍結乾燥室内部の棚の温度を示し、また、減圧の間又はそれに先立って棚の温度が活発に下げられる、動的冷却過程を一般的に描く。   Similarly, FIG. 3 shows the temperature vs. time curve (31 of three vials of an aqueous solution undergoing a dynamic cooling process (see Example 7) with nucleation induced via chamber vacuum. , 32 and 33). Again, the contents of the vial have a thermodynamic freezing temperature of about 0 ° C., but the solution in each vial is nevertheless from about −7 ° C.- Nuclei form in the temperature range of 10 ° C. Curve 39 shows the temperature of the shelf inside the lyophilization chamber and generally depicts a dynamic cooling process in which the temperature of the shelf is actively reduced during or prior to depressurization.

これらの図において例証されている様に、本方法は、凍結乾燥機中の薬剤溶液の凍結をより狭い温度範囲(例えば、約0℃から−10℃)内で、及び/又は一斉に起こさせることによって、改良された核形成過程の制御を提供し、それにより、バイアル瓶間の均一性がより大きい凍結乾燥産生物を産出させる。実証されてはいないが、誘導される核形成温度の範囲は、相転移温度を超えてなお、若干拡大できる可能性がある、及び過冷却の約40℃にまで及ぶ可能性もあることが予見できる。   As illustrated in these figures, the method causes freezing of the drug solution in the lyophilizer within a narrower temperature range (eg, about 0 ° C. to −10 ° C.) and / or simultaneously. This provides improved control of the nucleation process, thereby yielding a lyophilized product with greater homogeneity between vials. Although not demonstrated, it is foreseen that the range of nucleation temperatures induced can still be slightly expanded beyond the phase transition temperature and can extend to about 40 ° C of subcooling. it can.

本方法に伴う別の利点は、最も低い核形成温度、及び/又は核形成の正確な時間を制御することにより、凍結されたバイアル瓶又は容器内部に形成される氷の結晶構造に影響を及ぼすことができることである。氷の結晶構造は、氷が昇華するために掛かる時間に影響を及ぼす変数である。斯くして、氷の結晶構造を制御することにより、全体としての凍結乾燥過程を大幅に加速することが可能である。   Another advantage with this method is that it affects the crystal structure of ice formed inside a frozen vial or container by controlling the lowest nucleation temperature and / or the exact time of nucleation. Be able to. The crystal structure of ice is a variable that affects the time it takes for ice to sublime. Thus, by controlling the ice crystal structure, the overall freeze-drying process can be significantly accelerated.

広い意味において、ここに開示されている、物質内における相転移の核形成の誘導方法は、(i)物質の相転移温度の近辺又は該相転移温度より下の温度にその物質を冷却する段階;及び(ii)圧力を急速に下げてその物質の核形成を誘導する段階を含む。これらの重要な段階のそれぞれを、以下に、更に詳細に論じる。   In a broad sense, the method for inducing nucleation of a phase transition in a material disclosed herein includes the steps of (i) cooling the material to a temperature near or below the phase transition temperature of the material. And (ii) rapidly reducing the pressure to induce nucleation of the material. Each of these important steps is discussed in more detail below.

段階1−物質の冷却
本方法において有用な、実例となる物質は、純粋物質、気体、懸濁物、ゲル、液体、溶液、混合物、又は溶液又は混合物中の成分を包含する。本方法において使用する適切な物質は、例えば、薬剤物質、生物薬剤物質、食品、化学物質を包含してよく、また、創傷処置製品、化粧品、獣医製品、及び体内/体外診断関連製品等の製品を包含してよい。物質が液体である場合、その液体中に気体を溶解させることが望ましいかもしれない。制御された気体環境中の液体は、一般的に、それらの中に気体を溶解させるであろう。
Stage 1-Cooling of Substances Illustrative substances useful in the present method include pure substances, gases, suspensions, gels, liquids, solutions, mixtures, or components in solutions or mixtures. Suitable materials for use in the method may include, for example, drug substances, biopharmaceutical substances, foods, chemicals, and products such as wound treatment products, cosmetics, veterinary products, and in-vivo / in-vitro diagnostic related products. May be included. If the substance is a liquid, it may be desirable to dissolve the gas in the liquid. Liquids in a controlled gaseous environment will generally dissolve the gas in them.

本方法において有用な、実例となる他の物質は、組織、臓器、及び多細胞構造物等の生物学的又は生物薬剤物質を包含する。ある種の生物学的又は薬剤用途に対して、物質は、生きている又は弱毒化したウイルス;核酸;モノクローナル抗体;ポリクローナル抗体;生体分子;非ペプチド類縁体;ポリペプチド、ペプチド模倣物及び修飾ペプチドを包含するペプチド;融合及び修飾蛋白質を包含する蛋白質;RNA、DNA及びそれらの亜綱;オリゴヌクレオチド;ウイルス粒子;及びこの様な物質の類似体又はそれらの成分、を包含する溶液又は混合物であってよい。   Other illustrative materials useful in the method include biological or biopharmaceutical materials such as tissues, organs, and multicellular structures. For certain biological or pharmaceutical applications, the substance can be a live or attenuated virus; a nucleic acid; a monoclonal antibody; a polyclonal antibody; a biomolecule; a non-peptide analog; a polypeptide, a peptidomimetic and a modified peptide A solution or mixture comprising a protein, including fusion and modified proteins; RNA, DNA and their subclasses; oligonucleotides; viral particles; and analogs of such substances or components thereof. It's okay.

凍結乾燥用のバイアル瓶又は容器中に入れられた薬剤又は生物薬剤の溶液は、本方法から利益を得るであろう物質の良い例であろう。溶液は大部分が水で、実質的に圧縮できない。この様な薬剤の又は生物薬剤の溶液は、また、高度に純粋で、一般的に、核形成の部位を形成する可能性のある粒子を含まない。バイアル瓶間、又は容器間において一貫する、及び均一な氷の結晶構造を造り出すために、均一な核形成温度が重要である。発育する氷の結晶構造も、乾燥に必要とされる時間に大きな影響を与える。   Drug or biopharmaceutical solutions placed in lyophilized vials or containers would be a good example of a substance that would benefit from the present method. The solution is mostly water and is substantially incompressible. Such drug or biopharmaceutical solutions are also highly pure and generally free of particles that may form sites of nucleation. Uniform nucleation temperature is important to create a consistent and uniform ice crystal structure between vials or containers. The crystal structure of the growing ice also has a significant effect on the time required for drying.

凍結乾燥過程に適用するとき、その物質は、好ましくは凍結乾燥室の様な、室の中に置かれる。好ましくは、室は、室内の温度、圧力、及び気体雰囲気の制御ができる様に構成される。気体雰囲気は、これらに限定はされないが、アルゴン、窒素、ヘリウム、空気、水蒸気、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、亜酸化窒素、一酸化窒素、ネオン、キセノン、クリプトン、メタン、水素、プロパン、ブタン等、及びこれらの許容できる混合物を包含してよい。好ましい気体雰囲気は、圧力が約7から約50psig以上の間であるアルゴン等の不活性気体を含む。凍結乾燥機室内の温度は、凍結乾燥過程によって規定されることが多く、また、室内の棚を冷却又は加温してバイアル瓶又は容器、及び各バイアル瓶又は容器内の物質の温度を駆動する熱輸送流体の使用を介して容易に制御される。   When applied to the lyophilization process, the material is preferably placed in a chamber, such as a lyophilization chamber. Preferably, the chamber is configured to allow control of the temperature, pressure, and gas atmosphere in the chamber. The gas atmosphere is not limited to these, but argon, nitrogen, helium, air, water vapor, oxygen, carbon dioxide, carbon monoxide, nitrous oxide, nitric oxide, neon, xenon, krypton, methane, hydrogen, propane, Butane and the like, and acceptable mixtures thereof may be included. A preferred gas atmosphere includes an inert gas such as argon having a pressure between about 7 and about 50 psig or more. The temperature in the lyophilizer room is often defined by the lyophilization process, and the shelves in the room are cooled or heated to drive the temperature of the vials or containers and the substance in each vial or container. It is easily controlled through the use of heat transport fluid.

本方法に従って、物質は、その相転移温度の近辺の、又はより低い温度に冷却される。凍結乾燥過程を経ている水系溶液の場合は、相転移温度はその溶液の熱力学的凝固点である。溶液がその溶液の熱力学的凝固点より低い温度に達しているとき、それは、過冷却されていると言われる。水系溶液の凍結過程に適用されるとき、本方法は、過冷却範囲の程度が、相転移温度の近辺、又はその下から過冷却の約40℃までの範囲、より好ましくは、過冷却の約3℃と過冷却の10℃の間のとき有効である。下に記載した実施例の幾つかにおいて、本核形成の誘導方法は、溶液が、その熱力学的凝固点の下、約1℃の過冷却しかされていない場合でさえ、望ましく作動する。   In accordance with the method, the material is cooled to a temperature near or below its phase transition temperature. In the case of an aqueous solution that has undergone a lyophilization process, the phase transition temperature is the thermodynamic freezing point of the solution. When a solution reaches a temperature below the thermodynamic freezing point of the solution, it is said to be supercooled. When applied to the freezing process of an aqueous solution, the present method can be used when the extent of the supercooling range is in the vicinity of or below the phase transition temperature to about 40 ° C. of supercooling, more preferably about It is effective when it is between 3 ° C and 10 ° C of supercooling. In some of the examples described below, the method of inducing nucleation works well even when the solution has only been subcooled to about 1 ° C. below its thermodynamic freezing point.

物質がその相転移温度より下の温度にある場合、準安定状態にあると称されることが多い。準安定状態は、不安定、かつ一過性の、しかし比較的寿命が長い、化学又は生物学系の状態である。準安定な物質は、その平衡相又は状態ではない相又は状態に、一時的に存在する。物質又はその環境に何ら変化がない場合、準安定な物質は、究極的には、その非平衡状態からその平衡状態へと転移する。準安定な物質の実例は、過飽和溶液及び過冷却された液体を包含する。   When a material is at a temperature below its phase transition temperature, it is often referred to as being in a metastable state. A metastable state is a chemical or biological state that is unstable and transient, but has a relatively long lifetime. A metastable material is temporarily present in a phase or state that is not its equilibrium phase or state. If there is no change in the material or its environment, the metastable material ultimately transitions from its non-equilibrium state to its equilibrium state. Examples of metastable materials include supersaturated solutions and supercooled liquids.

準安定な物質の典型的な例は、大気圧及び−10℃の温度での、液体の水であろう。普通の凝固点は0℃なので、液体の水は、熱力学的には、この温度及び圧力で存在しないが、それは、氷の結晶化過程を開始させる核形成事象又は構造がなければ、存在できる。極度に純粋な水は、大気圧で非常に低温(−30℃から−40℃)に冷却されて、なおも液体状態を保つことができる。この様な過冷却された水は、非平衡の、熱力学的に準安定な状態にある。それは、相転移を開始させ、それにより平衡に戻るであろう原因となる、核形成事象だけを欠いているのである。   A typical example of a metastable material would be liquid water at atmospheric pressure and a temperature of -10 ° C. Since the normal freezing point is 0 ° C., liquid water does not exist thermodynamically at this temperature and pressure, but it can exist without a nucleation event or structure that initiates the ice crystallization process. Extremely pure water can be cooled to very low temperatures (−30 ° C. to −40 ° C.) at atmospheric pressure and still remain liquid. Such supercooled water is in a non-equilibrium, thermodynamically metastable state. It lacks only the nucleation events that cause the phase transition to start and thereby return to equilibrium.

上で論じた通り、この、物質内の相転移の核形成誘導方法、又は物質の凍結方法は、例えば、平衡化された冷却環境、又は動的な冷却環境を包含する、種々の冷却プロフィールと共に利用できる(図2と3を参照のこと)。   As discussed above, this method of inducing nucleation of phase transitions within a material, or a method of freezing a material, with various cooling profiles, including, for example, an equilibrated cooling environment or a dynamic cooling environment. Available (see Figures 2 and 3).

段階2−急速な圧力低下
物質が相転移温度の近辺、又はその下の所望の温度に到達したとき、室は素早く又は急速に減圧される。この減圧は、バイアル瓶又は容器内の溶液の核形成及び相転移を誘発する。好ましい態様において、室の減圧は、高圧の室を大気環境、又はより低圧の室若しくは環境から隔てている大きな制御バルブを開放する、又は部分的に開放することによって達成される。高くなっていた圧力は、室からの気体雰囲気の質量流によって、素早く下げられる。減圧は、核形成を誘導するために、相当早いことが必要である。減圧は、数秒間以下、好ましくは40秒間以下、より好ましくは20秒間以下、最も好ましくは10秒間以下で終わらせるべきである。
Stage 2-Rapid pressure drop When the material reaches a desired temperature near or below the phase transition temperature, the chamber is quickly or rapidly depressurized. This reduced pressure induces nucleation and phase transition of the solution in the vial or container. In a preferred embodiment, chamber depressurization is accomplished by opening or partially opening a large control valve that separates the high pressure chamber from the atmospheric environment, or a lower pressure chamber or environment. The increased pressure is quickly reduced by the mass flow of the gaseous atmosphere from the chamber. The reduced pressure needs to be fairly fast to induce nucleation. The decompression should be terminated in a few seconds or less, preferably 40 seconds or less, more preferably 20 seconds or less, and most preferably 10 seconds or less.

典型的な凍結乾燥用途において、初期の室圧力と、減圧後の、最終の室圧力との間の圧力差は、約7psiよりも大きくすべきである。とはいえ、状況によっては、より小さい圧力降下が核形成を誘導する可能性はある。殆どの市販の凍結乾燥機は、核形成を制御するために必要とされる圧力降下範囲を、容易に提供する事ができる。多くの凍結乾燥機は、121℃の飽和蒸気を用いる伝統的な滅菌処置に耐える様に、25psigを超える圧力定格で設計されている。この様な設備の定格は、大気圧又は周囲環境の圧力を超える出発圧力から減圧するプロトコルに従う核形成を誘導するために、十分な機会を提供する。圧力の上昇と引き続く減圧は、任意の既知の手段(例えば、空気、水、又は機械的)を介して達成することができる。好ましい態様において、本方法に対する操作圧は、任意の適用される気体の超臨界圧より低いままにすべきであり、また、物質の核形成の間は、その物質を極端に低い圧力(即ち、約10mTorr以下)に晒すことを避けるべきである。   In typical lyophilization applications, the pressure difference between the initial chamber pressure and the final chamber pressure after depressurization should be greater than about 7 psi. However, in some situations, a smaller pressure drop can induce nucleation. Most commercial freeze dryers can easily provide the pressure drop range required to control nucleation. Many freeze dryers are designed with pressure ratings in excess of 25 psig to withstand traditional sterilization procedures using saturated steam at 121 ° C. Such equipment ratings provide ample opportunity to induce nucleation according to a protocol that depressurizes from a starting pressure that exceeds atmospheric or ambient pressure. The increase in pressure and subsequent depressurization can be accomplished via any known means (eg, air, water, or mechanical). In a preferred embodiment, the operating pressure for the method should remain below the supercritical pressure of any applied gas, and during material nucleation, the material is at an extremely low pressure (ie, Exposure to about 10 mTorr or less) should be avoided.

何等かの特別な機序に縛られることを望みはしないが、本方法の実践において観察される制御された核形成を説明するための一つの可能な機序は、物質中の溶液中の気体が減圧の際に溶液から出てきて、及び、気泡を形成し、これがその物質の核形成をすることである。初期の高められた圧力は、溶液中に溶解した気体の濃度を増大させる。冷却後の急速な圧力の降下は気体の溶解度を低減させ、及び、引き続く、過冷却された溶液からの気体の放出は、相転移の核形成を誘発する。   While not wishing to be bound by any particular mechanism, one possible mechanism for explaining the controlled nucleation observed in the practice of this method is the gas in solution in matter. Comes out of solution during decompression and forms bubbles, which nucleate the material. The initial elevated pressure increases the concentration of gas dissolved in the solution. The rapid pressure drop after cooling reduces the solubility of the gas and the subsequent release of the gas from the supercooled solution induces phase transition nucleation.

可能性のある別の機序は、減圧の間の、物質に直近する気体の温度降下が物質表面上に冷点をもたらし、それが核形成を開始させることである。可能性のある別の機序は、減圧が物質中の幾ばくかの液体の蒸発をもたらし、及び、吸熱性の蒸発過程に由来して起こる冷却が核形成を開始させてよいことである。可能性のある別の機序は、物質に直近する減圧された冷たい気体が、減圧に先立って物質と平衡にあった、又は減圧の間に蒸発によって物質から開放された、いずれかの、幾ばくかの蒸気を凍結させ、この結果生じる固体粒子が物質に再度入り、種又は表面として活動して核形成を開始させることである。これらの機序の一以上が、物質の本性、その環境及び核形成されている相転移に依存して、程度の差はあれ、凍結又は固化の核形成の開始に寄与してよい。   Another possible mechanism is that during depressurization, the temperature drop of the gas proximate to the material results in a cold spot on the material surface, which initiates nucleation. Another possible mechanism is that the reduced pressure results in the evaporation of some liquid in the material, and the cooling that occurs from the endothermic evaporation process may initiate nucleation. Another possible mechanism is that the reduced cold gas closest to the material is either equilibrated with the material prior to depressurization or released from the material by evaporation during the vacuum. Freezing such vapor, the resulting solid particles reenter the material and act as seeds or surfaces to initiate nucleation. One or more of these mechanisms may contribute to the onset of freezing or solidification nucleation, to some extent, depending on the nature of the material, its environment and the phase transition being nucleated.

この過程は、周囲圧力より大きい、又は周囲圧力に及ぶ圧力範囲を網羅する圧力で、専ら行われてよい。例えば、初期の室圧力は周囲圧力より高くてよく、また、最終室圧力、減圧後は、周囲圧力より高いが初期の室圧力より低くてよい。初期室圧力は、周囲圧力より高くてよく、また、最終室圧力、減圧後は約周囲圧力で、又は周囲圧力より僅かに低くてよい。   This process may be performed exclusively at pressures that cover a pressure range that is greater than or spans the ambient pressure. For example, the initial chamber pressure may be higher than the ambient pressure, and after the final chamber pressure and decompression, it may be higher than the ambient pressure but lower than the initial chamber pressure. The initial chamber pressure may be higher than ambient pressure, and may be about the final chamber pressure, about ambient pressure after decompression, or slightly below ambient pressure.

圧力降下の速度及び大きさも、本方法の重要な側面であると信じられる。実験は、圧力降下(△P)が約7psiより大きい場合に、核形成が誘導されるであろうことを示している。あるいは、圧力降下の大きさは、絶対圧力比、R=Pi/Pfとして表されてよい。ここで、Piは初期絶対圧力、Pfは最終絶対圧力である。本方法の多くの実地の用途において、核形成は、減圧の際、絶対圧力比Rが約1.2より大きい場合に誘導されるであろうと信じられる。圧力降下速度も、本方法において重要な役割を演じる。圧力降下速度を特徴付ける一つの方法は、パラメータAを用いることであり、ここで、A=△P/△tである。重ねて、核形成は、約0.2psi/sec等の、所定の値より大きいAの値に対して誘導されるであろうと要約される。実験を通じての経験的データは、好ましい圧力降下及び圧力降下速度を突き止めるための助けになるに違いない。   The rate and magnitude of the pressure drop is also believed to be an important aspect of the method. Experiments show that nucleation will be induced when the pressure drop (ΔP) is greater than about 7 psi. Alternatively, the magnitude of the pressure drop may be expressed as an absolute pressure ratio, R = Pi / Pf. Here, Pi is the initial absolute pressure, and Pf is the final absolute pressure. In many practical applications of the method, it is believed that nucleation will be induced upon depressurization when the absolute pressure ratio R is greater than about 1.2. The pressure drop rate also plays an important role in the method. One way to characterize the pressure drop rate is to use parameter A, where A = ΔP / Δt. Again, it is summarized that nucleation will be induced for a value of A greater than a predetermined value, such as about 0.2 psi / sec. Empirical data throughout the experiment must help to determine the preferred pressure drop and pressure drop rate.

以下の実施例は、ここに開示された、物質中の核形成誘導方法の種々の側面及び特徴を強調するものであり、限定的な意味合いに取るべきではない。そうではなく、これらの実施例は説明の役に立たせる為だけであり、本発明の技術的範囲は、願書に添付した特許請求の範囲によってのみ、決定されるべきである。   The following examples highlight various aspects and features of the method for inducing nucleation in matter disclosed herein and should not be taken in a limiting sense. Rather, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention should be determined only by the claims appended hereto.

ここに記載した全ての実施例は、合計の棚空所がほぼ1.0mである4つの棚と内部コンデンサを持つ、パイロット規模のVirTis 51−SRC凍結乾燥機中で行った。このユニットを約15psigまでの正の圧力に耐える様に改装した。凍結乾燥室の後壁に直径1.5”の円形の開口も追加し、直径1.5”のステンレススチールの、穴から伸びて後壁断熱材を通り抜け、凍結乾燥機の背面から表面に出る管をつけた。この管に、衛生器具を介して、2個の1.5”の全流量、空気作動ボールバルブを取付けた。1個のボールバルブは気体を凍結乾燥室の中へ流入させ、それにより15psigまでの正の圧力を提供する。2番目のボールバルブは、気体を凍結乾燥室から流出させ、室圧力を大気条件(0psig)に降下させる。凍結乾燥棚とコンデンサの全ての冷凍は、Praxair NCool(商標)−HXシステムを用いて液体窒素によって冷却したDynalene MV熱伝達流体の循環を介して遂行した。 All examples described herein were performed in a pilot scale VirTis 51-SRC lyophilizer with four shelves totaling approximately 1.0 m 2 and internal capacitors. The unit was modified to withstand positive pressures up to about 15 psig. A 1.5 ”diameter circular opening is also added to the rear wall of the freeze drying chamber, 1.5” diameter stainless steel extends from the hole, passes through the rear wall insulation, and exits from the back of the freeze dryer to the surface I attached a tube. The tube was fitted with two 1.5 "full flow, air-operated ball valves through a sanitary appliance. One ball valve allowed gas to flow into the lyophilization chamber, thereby up to 15 psig. The second ball valve causes the gas to flow out of the lyophilization chamber and reduce the chamber pressure to atmospheric conditions (0 psig) All refrigeration of the lyophilization shelf and condenser is made with Praxair NCool ( Performed via circulation of Dynalene MV heat transfer fluid cooled by liquid nitrogen using a trademark-HX system.

全ての溶液は、クラス100のクリーンルーム中で準備した。凍結乾燥機は、全てクリーンルームから到達できる扉、棚、及び制御機器と共に設置され、他方、他の構成要素(ポンプ、ヒーター等)は、非クリーンルーム環境中に置かれた。全ての溶液は、HPLC等級の水(0.10μmの膜を通して濾過、Fisher Scientific)で準備した。最終溶液は、バイアル瓶又は凍結乾燥容器に充填するのに先立って、0.22μmの膜を通して濾過した。全ての気体はシリンダーを介して供給され、また、0.22μmのフィルターを通して濾過し、粒子を除去した。ガラス容器(5mLのバイアル瓶と60mLの瓶)は、粒子を予備洗浄して、Wheaton Science Productsから得た。適切な場合は、薬剤として許容できる担体を使用した。上記の段階は、核化剤として作用する粒子に対する、従来の薬剤製造標準を満足させる物質及び方法を保証するために採った。   All solutions were prepared in a class 100 clean room. The lyophilizer was installed with doors, shelves, and control equipment all accessible from the clean room, while other components (pumps, heaters, etc.) were placed in a non-clean room environment. All solutions were prepared with HPLC grade water (filtered through a 0.10 μm membrane, Fisher Scientific). The final solution was filtered through a 0.22 μm membrane prior to filling into vials or lyophilized containers. All gas was fed through a cylinder and filtered through a 0.22 μm filter to remove particles. Glass containers (5 mL vials and 60 mL bottles) were obtained from Wheaton Science Products with pre-washed particles. Where appropriate, pharmaceutically acceptable carriers were used. The above steps were taken to ensure materials and methods that meet conventional drug manufacturing standards for particles that act as nucleating agents.

本明細書で使用するとき、「薬剤として許容できる担体」は、任意の及び全ての溶媒、分散媒、酸化防止剤、塩、被覆物、界面活性剤、防腐剤(例えば、パラヒドロキシ安息香酸メチル又はプロピル、ソルビン酸、抗菌剤、抗真菌薬)、等張剤、溶液遅延剤(例えば、パラフィン)、吸収剤(例えば、カオリン粘土、ベントナイト粘土)、薬物安定剤(例えば、ラウリル硫酸ナトリウム)、ゲル、バインダー(例えば、シロップ、アカシア、ゼラチン、ソルビトール、トラガカント、ポリビニルピロリドン、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸塩)、賦形剤(例えば、ラクトース、乳糖、ポリエチレングリコール)、崩壊剤(例えば、寒天、澱粉、ラクトース、燐酸カルシウム、炭酸カルシウム、アルギン酸、ソルビトール、グリシン)、展着剤(例えば、セチルアルコール、モノステアリン酸グリセロール)、滑剤、吸収促進剤(例えば、四級アンモニウム塩)、食用油(例えば、アーモンド油、ココナッツ油、油性エステル又はプロピレングリコール)、甘味剤、着香剤、着色剤、充填剤(例えば、澱粉、ラクトース、スクロース、グルコース、マンニトール)、錠剤化滑剤(例えば、ステアリン酸マグネシウム、澱粉、グルコース、ラクトース、米花、胡粉)、吸入用担体(例えば、炭化水素高圧ガス)、緩衝剤、又は、当業者に既知であろうこれらの類似物及び組合せを包含する。   As used herein, “pharmaceutically acceptable carrier” refers to any and all solvents, dispersion media, antioxidants, salts, coatings, surfactants, preservatives (eg, methyl parahydroxybenzoate). Or propyl, sorbic acid, antibacterial agent, antifungal agent), isotonic agent, solution retarder (eg, paraffin), absorbent (eg, kaolin clay, bentonite clay), drug stabilizer (eg, sodium lauryl sulfate), Gels, binders (eg syrup, acacia, gelatin, sorbitol, tragacanth, polyvinylpyrrolidone, carboxymethylcellulose, alginate), excipients (eg lactose, lactose, polyethylene glycol), disintegrants (eg agar, starch, lactose) , Calcium phosphate, calcium carbonate, alginic acid, sorbitol, glycine , Spreading agents (eg cetyl alcohol, glycerol monostearate), lubricants, absorption enhancers (eg quaternary ammonium salts), edible oils (eg almond oil, coconut oil, oily esters or propylene glycol), sweeteners , Flavoring agents, coloring agents, fillers (eg, starch, lactose, sucrose, glucose, mannitol), tableting lubricants (eg, magnesium stearate, starch, glucose, lactose, rice flower, cucumber), inhalable carriers (eg, , Hydrocarbon high pressure gas), buffering agents, or the like and combinations thereof as would be known to one skilled in the art.

本明細書に記載した実験条件及び検討した全ての凍結乾燥処方に対して、確率論的な核形成は、典型的には容器温度が約−8℃と−20℃の間で、時折−5℃という温かさで、起こることが観察された。容器を、一般的に、核形成を伴わずに長時間−8℃より高い温度に保持できた。核形成の始まりと引き続く結晶成長(即ち、凍結)は、発熱の融解潜熱に呼応して容器の温度が素早く上昇する点として、温度を測定することによって決定した。凍結の開始は、凍結乾燥機の室扉の覗き窓を通して、視覚的に決定することもできた。   For the experimental conditions described herein and all lyophilized formulations studied, stochastic nucleation is typically between about −8 ° C. and −20 ° C. and occasionally −5 ° C. It was observed to occur at a temperature of ° C. The container could generally be held at a temperature above -8 ° C for extended periods without nucleation. The onset of nucleation and subsequent crystal growth (ie, freezing) was determined by measuring the temperature as the point where the temperature of the vessel quickly increases in response to the exothermic latent heat of fusion. The start of freezing could also be determined visually through the viewing window in the freeze dryer chamber door.

実施例1−核形成温度の制御
4個の別々のバイアル瓶に、5重量%のマンニトール溶液を2.5mL注入した。5重量%のマンニトール溶液の、予見される熱力学的凝固点は、ほぼ−0.5℃である。4個のバイアル瓶を、互いに接近させて、凍結乾燥機の棚に置いた。4個のバイアル瓶の温度を、表面に搭載した熱電対を用いて監視した。凍結乾燥機を、アルゴンで14psigに加圧した。
Example 1-Control of Nucleation Temperature 2.5 mL of a 5 wt% mannitol solution was injected into four separate vials. The predicted thermodynamic freezing point of a 5 wt% mannitol solution is approximately -0.5 ° C. Four vials were placed close to each other and placed on a freeze dryer shelf. The temperature of the four vials was monitored using a thermocouple mounted on the surface. The lyophilizer was pressurized to 14 psig with argon.

凍結乾燥機の棚を冷却して、バイアル瓶の温度を、ほぼ−1.3℃と約−2.3℃(熱電対の測定精度+/−1℃)の間にした。次いで、凍結乾燥機を、5秒かけずに約14psigから約大気圧に減圧し、バイアル瓶内の溶液の核形成を誘導した。4個全てのバイアル瓶は、減圧直後に核形成し、また、凍結を開始した。結果を下の表1に纏めた。   The freeze-dryer shelf was cooled and the vial temperature was between approximately -1.3 ° C and approximately -2.3 ° C (thermocouple measurement accuracy +/- 1 ° C). The lyophilizer was then depressurized from about 14 psig to about atmospheric pressure without taking 5 seconds to induce nucleation of the solution in the vial. All four vials nucleated immediately after depressurization and started to freeze. The results are summarized in Table 1 below.

表1に見られる通り、この実施例における制御された核形成温度(即ち、バイアル瓶の初期温度)は、溶液の予見された熱力学的凝固点に非常に近い。この様に、本方法は、過冷却の程度が非常に低い溶液において、又は、それらの凝固点に近い、若しくはそれらよりほんの僅か冷たい核形成温度で、核形成が起こることを制御可能にする。   As seen in Table 1, the controlled nucleation temperature in this example (ie, the vial initial temperature) is very close to the predicted thermodynamic freezing point of the solution. In this way, the method makes it possible to control that nucleation occurs in solutions with a very low degree of supercooling, or at nucleation temperatures close to or just slightly cooler than their freezing point.

Figure 2009525867
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実施例2−核形成温度の制御
この例において、95個のバイアル瓶に、5重量%のマンニトール溶液を2.5mL注入した。5重量%のマンニトール溶液の熱力学的凝固点は、ほぼ−0.5℃である。95個のバイアル瓶を、互いに接近させて、凍結乾燥機の棚に置いた。凍結乾燥機の棚の、別々の位置に置いた6個のバイアル瓶の温度を、表面に搭載した熱電対を使用して連続的に監視した。凍結乾燥機を、アルゴン雰囲気中で約14psigに加圧した。次いで、凍結乾燥機の棚を冷却して、バイアル瓶の温度を−5℃近辺にした。次いで、凍結乾燥機を、5秒かけないで約14psigから約大気圧まで減圧し、バイアル瓶中の溶液の核形成を誘導した。95個全てのバイアル瓶が、減圧直後に核形成すること及び凍結を開始することが視覚的に観察された。監視した6個のバイアル瓶に関する熱電対データは、視覚的な観察を裏書した。結果を表2に纏めた。
Example 2-Control of Nucleation Temperature In this example, 2.5 mL of a 5 wt% mannitol solution was injected into 95 vials. The thermodynamic freezing point of a 5 wt% mannitol solution is approximately -0.5 ° C. The 95 vials were placed close to each other and placed on the lyophilizer shelf. The temperature of six vials at different locations on the freeze dryer shelf was continuously monitored using a thermocouple mounted on the surface. The lyophilizer was pressurized to about 14 psig in an argon atmosphere. The shelf of the freeze dryer was then cooled to bring the vial temperature to around -5 ° C. The lyophilizer was then depressurized from about 14 psig to about atmospheric pressure without taking 5 seconds to induce nucleation of the solution in the vial. All 95 vials were visually observed to nucleate immediately after depressurization and to begin freezing. Thermocouple data for the six vials monitored monitored the visual observation. The results are summarized in Table 2.

そこに見られる通り、この実施例における制御された核形成温度(即ち、バイアル瓶の初期温度)は、その溶液の予見される熱力学的凝固点より幾分低い。この様に、本方法は、適度に過冷却された溶液中で核形成が起こることを制御可能にする。この例は、本方法の、多数のバイアル瓶用途への拡張性も実証する。   As can be seen, the controlled nucleation temperature (i.e., the initial temperature of the vial) in this example is somewhat lower than the expected thermodynamic freezing point of the solution. In this way, the method makes it possible to control the occurrence of nucleation in a moderately supercooled solution. This example also demonstrates the scalability of the method to a number of vial applications.

Figure 2009525867
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実施例3−減圧の大きさの制御
この例では、複数のバイアル瓶に5重量%のマンニトール溶液を2.5mL注入した。今度も、5重量%のマンニトール溶液の予見される熱力学的凝固点は、ほぼ−0.5℃である。各テストの作業において、バイアル瓶を、相互に接近させて凍結乾燥機の棚に置いた。先に記載した実施例と同様に、バイアル瓶の温度は、表面に搭載した熱電対を使用して監視した。凍結乾燥機中のアルゴン雰囲気を相異なる圧力に加圧し、凍結乾燥機の棚を、バイアル瓶の温度が約−5℃になる様に冷却した。各テストの作業において、次いで、凍結乾燥機を、選択された圧力から大気圧まで、素早く(即ち、5秒かけずに)減圧し、バイアル瓶内の溶液の核形成を誘導することを目指した。結果を表3に纏めた。
Example 3-Controlling the magnitude of vacuum In this example, 2.5 mL of a 5 wt% mannitol solution was injected into a plurality of vials. Again, the predicted thermodynamic freezing point of the 5 wt% mannitol solution is approximately -0.5 ° C. In each test run, the vials were placed on the freeze dryer shelf in close proximity to each other. Similar to the examples described above, the temperature of the vial was monitored using a thermocouple mounted on the surface. The argon atmosphere in the lyophilizer was pressurized to different pressures and the lyophilizer shelf was cooled so that the vial temperature was about -5 ° C. In each test run, the lyophilizer was then evacuated quickly (ie, without taking 5 seconds) from the selected pressure to atmospheric pressure, aiming to induce nucleation of the solution in the vial. . The results are summarized in Table 3.

表3に見られる通り、圧力降下が約7psi以上、及び核形成温度(即ち、バイアル瓶の初期温度)が約−4.7℃と−5.8℃の間の場合に、制御された核形成が起こった。   As seen in Table 3, controlled nuclei when the pressure drop is greater than about 7 psi and the nucleation temperature (ie, the vial initial temperature) is between about −4.7 ° C. and −5.8 ° C. Formation occurred.

Figure 2009525867
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実施例4−減圧速度の制御
この実施例に対して、複数のバイアル瓶に、予見される熱力学的凝固点がほぼ−0.5℃である5重量%のマンニトール溶液、2.5mLを注入した。減圧時間をばらつかせた各テスト作業において、バイアル瓶を、相互に接近させて凍結乾燥機の棚に置いた。先に記載した実施例と同様に、バイアル瓶の温度は、表面に搭載した熱電対を使用して監視した。上記の実施例の様に、凍結乾燥機中のアルゴン雰囲気を約14psigに加圧し、棚を冷却して、バイアル瓶の温度をほぼ−5℃にした。各テスト作業において、次いで、凍結乾燥機を14psigから大気圧まで異なる減圧速度で減圧し、バイアル瓶内の溶液の核形成を誘導することを目指した。
Example 4-Depressurization Rate Control For this example, multiple vials were injected with 2.5 mL of a 5 wt% mannitol solution with a predicted thermodynamic freezing point of approximately -0.5 ° C. . In each test run with varying decompression times, the vials were placed on the freeze dryer shelf in close proximity to each other. Similar to the examples described above, the temperature of the vial was monitored using a thermocouple mounted on the surface. As in the above example, the argon atmosphere in the lyophilizer was pressurized to about 14 psig, the shelf was cooled, and the vial temperature was brought to approximately -5 ° C. In each test run, the lyophilizer was then evacuated at different evacuation rates from 14 psig to atmospheric pressure, aiming to induce nucleation of the solution in the vial.

減圧速度又は減圧時間の効果を検討するために、凍結乾燥機の背面の減圧制御バルブの出口に、制限ボールバルブを設置した。制限バルブを全開にしたとき、約14psigから約0psigの減圧は、ほぼ2.5秒で完了する。制限バルブを部分的に閉じさえすれば、室の減圧時間をばらばらに長くすることができる。制限ボールバルブを使用して、凍結乾燥機室を異なる速度で減圧して数回のテスト作業を実行し、減圧速度が核形成に及ぼす影響を究明又は決定した。結果を表4に纏めた。   In order to examine the effect of the decompression speed or decompression time, a limiting ball valve was installed at the outlet of the decompression control valve on the back of the freeze dryer. When the restriction valve is fully opened, the decompression of about 14 psig to about 0 psig is completed in approximately 2.5 seconds. As long as the limiting valve is partially closed, the decompression time of the chamber can be lengthened. Using a restricted ball valve, several tests were performed with the freeze dryer chamber depressurized at different rates to determine or determine the effect of the depressurization rate on nucleation. The results are summarized in Table 4.

Figure 2009525867
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表4に見られる通り、核形成は、減圧時間が42秒未満、圧力降下が約14psi以上、及び核形成温度(即ち、バイアル瓶の初期温度)が約−4.6℃と約−5.8℃の間である場合のみ、起こった。これらの結果は、この方法が効果的であるためには、減圧を比較的素早く完了させる必要があることを示唆している。   As can be seen in Table 4, nucleation has a decompression time of less than 42 seconds, a pressure drop of greater than about 14 psi, and a nucleation temperature (ie, the initial vial temperature) of about −4.6 ° C. and about −5. Only happened if it was between 8 ° C. These results suggest that the decompression needs to be completed relatively quickly for this method to be effective.

実施例5−気体雰囲気の制御
今度も、複数のバイアル瓶の各々に5重量%のマンニトール溶液約2.5mLを注入し、相互に接近させて凍結乾燥機の棚に置いた。先に記載した実施例と同様に、テストバイアル瓶の温度は、表面に搭載した熱電対を使用して監視した。異なるテスト作業に対して、常に約14psigの正の圧力を維持しながら、凍結乾燥機中の気体雰囲気を変化させた。この例において、凍結乾燥機の棚を冷却して、バイアル瓶の温度をほぼ−5℃から−7℃にした。各テスト作業において、次いで、凍結乾燥機を約14psigから大気圧まで急速に減圧させ、バイアル瓶内の溶液の核形成を誘導させることを目指した。結果を表5に纏めた。
Example 5-Controlling the Gas Atmosphere Approximately 2.5 mL of a 5 wt% mannitol solution was again injected into each of the plurality of vials and placed on the freeze dryer shelf in close proximity to each other. Similar to the examples described above, the temperature of the test vial was monitored using a thermocouple mounted on the surface. The gas atmosphere in the lyophilizer was changed while always maintaining a positive pressure of about 14 psig for different test operations. In this example, the freeze dryer shelf was cooled to bring the vial temperature from approximately -5 ° C to -7 ° C. In each test run, it was then aimed to rapidly depressurize the lyophilizer from about 14 psig to atmospheric pressure to induce nucleation of the solution in the vial. The results are summarized in Table 5.

そこに見られる通り、圧力降下が約14psi、核形成温度(即ち、バイアル瓶の初期温度)が約−4.7℃と約−7.4℃の間の場合に、ヘリウム気体雰囲気を除く全ての気体雰囲気において、制御された核形成が起こった。実施例には示していないが、代わりの条件ではヘリウム雰囲気においても制御された核形成を可能にするであろうと信じられる。   As can be seen, all except the helium gas atmosphere when the pressure drop is about 14 psi and the nucleation temperature (ie, the vial initial temperature) is between about -4.7 ° C and about -7.4 ° C. Controlled nucleation occurred in the gas atmosphere. Although not shown in the examples, it is believed that alternative conditions would allow controlled nucleation even in a helium atmosphere.

Figure 2009525867
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実施例6−大容量溶液
この例では、6本の凍結乾燥瓶(容量60mL)に、予見される熱力学的凝固点がほぼ−0.5℃である、5重量%のマンニトール溶液を約30mL注入した。6本の凍結乾燥瓶を、相互に接近させて凍結乾燥機の棚に置いた。凍結乾燥機の棚の異なる位置に置いた6本の瓶の温度を、表面搭載熱電対で監視した。凍結乾燥機を、アルゴン雰囲気中で約14psigに加圧した。次いで、凍結乾燥機の棚を冷却して、瓶の温度を−5℃近辺にした。次いで、凍結乾燥機を、5秒かけずに14psigから約大気圧まで減圧し、瓶内の溶液の核形成を誘導した。結果を表6に纏めた。
Example 6 Large Volume Solution In this example, about 30 mL of a 5 wt% mannitol solution with a predicted thermodynamic freezing point of approximately −0.5 ° C. is poured into six freeze-dried bottles (60 mL capacity). did. Six freeze-drying bottles were placed on the freeze-dryer shelf in close proximity to each other. The temperature of six bottles placed at different locations on the freeze dryer shelf was monitored with a surface mounted thermocouple. The lyophilizer was pressurized to about 14 psig in an argon atmosphere. The shelf of the freeze dryer was then cooled to bring the bottle temperature to around -5 ° C. The lyophilizer was then depressurized from 14 psig to about atmospheric pressure without taking 5 seconds to induce nucleation of the solution in the bottle. The results are summarized in Table 6.

別の実験において、プラスチックの大容量凍結乾燥トレー(容量1800mL、Gore LYOGUARD)に、5重量%のマンニトール溶液を約1000mL入れた。得たトレーは、米国薬局方の低粒子要件を満たすよう予備洗浄されていた。トレーを凍結乾燥機の棚に置き、トレーの温度を、一方の側の中央に近いトレー外表面に搭載した熱電対によって監視した。次いで、凍結乾燥機の棚を冷却して、トレー温度を−7℃近辺にした。次いで、凍結乾燥機を、5秒かけずに14psigから約大気圧まで減圧し、トレー内の溶液の核形成を誘導した。結果を、やはり表6に纏めた。   In another experiment, approximately 1000 mL of a 5 wt% mannitol solution was placed in a large plastic lyophilization tray (capacity 1800 mL, Gore LYOGUARD). The resulting tray was pre-cleaned to meet the US Pharmacopoeia low particle requirements. The tray was placed on a lyophilizer shelf and the temperature of the tray was monitored by a thermocouple mounted on the outer surface of the tray near the center on one side. The shelf of the freeze dryer was then cooled to bring the tray temperature to around -7 ° C. The lyophilizer was then depressurized from 14 psig to about atmospheric pressure without taking 5 seconds to induce nucleation of the solution in the tray. The results are also summarized in Table 6.

上記の実施例の様に、減圧直後に全ての容器が核形成し、凍結し始めた。また、上記の実施例の様に、この実施例における核形成温度(即ち、容器温度)は、溶液の熱力学的凍結温度に若干近くなる様に、非常によく制御可能であった。更に大切なことに、この実施例は、本方法が、より大容積の溶液及び種々の形状の容器における核形成の生起を制御可能にすることを例証している。減圧法の効率は、処方物の容積の増大に連れて向上することが期待されるであろうことは注目すべきである。核形成事象は、より多くの分子が存在して、凝集し及び臨界的な核を形成するときに、更に起こり易いからである。   As in the above example, all containers nucleated immediately after decompression and began to freeze. Also, as in the above example, the nucleation temperature (i.e., vessel temperature) in this example was very well controllable so that it was slightly closer to the thermodynamic freezing temperature of the solution. More importantly, this example illustrates that the method allows control of the occurrence of nucleation in larger volumes of solution and various shaped containers. It should be noted that the efficiency of the vacuum process would be expected to improve with increasing formulation volume. This is because nucleation events are more likely to occur when more molecules are present and aggregate and form critical nuclei.

Figure 2009525867
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実施例7−動的冷却対平衡化冷却
本核形成の制御方法は、種々の形態で使用することができる。上記した実施例1−6は、各々、熱力学的凝固点より低い温度で本質的に平衡化されている凍結乾燥溶液の核形成温度(即ち、非常にゆっくり変化している温度)を制御することの側面を、実証している。この例は、動的冷却環境にある(即ち、溶液が急速な温度変化を経ている)、熱力学的凝固点より低い温度でも、核形成が生起できることを実証している。
Example 7 Dynamic Cooling vs. Equilibrium Cooling The present nucleation control method can be used in various forms. Examples 1-6 above each control the nucleation temperature of a lyophilized solution that is essentially equilibrated at a temperature below the thermodynamic freezing point (ie, a very slowly changing temperature). This aspect is demonstrated. This example demonstrates that nucleation can occur even at temperatures below the thermodynamic freezing point in a dynamic cooling environment (ie, the solution undergoing a rapid temperature change).

この実施例において、バイアル瓶1−6は実施例2に関連して上で記載した試料を表す。加えて、3つの別のバイアル瓶(バイアル瓶7−9)にも、5重量%のマンニトール溶液2.5mLを注入した。別のテスト作業において、3個の追加のバイアル瓶を、相互に接近させて凍結乾燥機の棚に置いた。凍結乾燥機の棚を急速に冷却して、最終的な棚温度を−45℃にした。バイアル瓶の1個が、表面搭載熱電対で測定して約−5℃の温度に達したとき、凍結乾燥機を、約14psigから0psigに急速に減圧して、核形成の誘導を目指した。3個全てのバイアル瓶が、減圧直後に核形成し、凍結し始めた。動的な冷却環境の結果として、バイアル瓶の温度は、核形成に先立って、−6.8℃から−9.9℃の間に、顕著に降下した。比較結果を下の表7に纏めた。   In this example, vials 1-6 represent the samples described above in connection with Example 2. In addition, three separate vials (vials 7-9) were also injected with 2.5 mL of a 5 wt% mannitol solution. In another test operation, three additional vials were placed on the freeze dryer shelf in close proximity to each other. The lyophilizer shelf was rapidly cooled to a final shelf temperature of -45 ° C. When one of the vials reached a temperature of about −5 ° C. as measured by a surface mount thermocouple, the freeze dryer was rapidly depressurized from about 14 psig to 0 psig to aim for nucleation induction. All three vials nucleated immediately after depressurization and began to freeze. As a result of the dynamic cooling environment, the temperature of the vial dropped significantly between −6.8 ° C. and −9.9 ° C. prior to nucleation. The comparison results are summarized in Table 7 below.

Figure 2009525867
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所定の温度範囲で平衡化された凍結乾燥溶液、又は動的に冷却されている凍結乾燥溶液における、本核形成の制御方法の有効性は、最終ユーザーに、異なる利点及び背反を伴う用途の、2つの可能性のある様式を提供する。凍結乾燥溶液を平衡にさせることにより、核形成温度の範囲は、凍結乾燥機自身の性能限界まで狭められ、又は最小化されるであろう。平衡化段階は、室とバイアル瓶の温度が、一段階で約−40℃より低く下げられる、従来の、又は動的凍結手順と比較して、達成するのに余分の時間を要求するかもしれない。しかしながら、平衡化段階を用いることは、全てのバイアル瓶又は容器にわたって、遥かに改良された核形成の均一性と共に、物質の核形成温度の正確な制御に付随する他の利益の実現を生出すに違いない。   The effectiveness of this method of controlling nucleation in a lyophilized solution equilibrated at a given temperature range, or a lyophilized solution that is dynamically cooled, allows the end user to use it with different advantages and tradeoffs. Provides two possible modalities. By equilibrating the lyophilized solution, the nucleation temperature range will be narrowed or minimized to the performance limits of the lyophilizer itself. The equilibration step may require extra time to achieve compared to conventional or dynamic freezing procedures where the chamber and vial temperatures are lowered below about −40 ° C. in one step. Absent. However, using an equilibration step yields other benefits associated with precise control of the nucleation temperature of the material, along with much improved nucleation uniformity across all vials or containers. It must be.

あるいは、もし、物質又は凍結乾燥溶液の温度の平衡化が望ましくないなら、普通の凍結又は動的冷却手順の間の適切な時に、単純に減圧段階を実行してよい。動的な冷却の間の減圧は、凍結乾燥容器内の物質に対する核形成温度をより幅広く広がらせるであろうが、凍結手順に加える時間を最小にし、なおかつ、極端な過冷却の問題を緩和させるであろう。   Alternatively, if it is not desired to equilibrate the temperature of the material or lyophilized solution, a vacuum step may simply be performed at an appropriate time during normal freezing or dynamic cooling procedures. Depressurization during dynamic cooling will broaden the nucleation temperature for the material in the lyophilization vessel, but minimizes the time added to the freezing procedure and alleviates the problem of extreme supercooling Will.

実施例8−異なる賦形剤の効果
この、物質中の核形成の制御又は誘導方法は、異なる凍結乾燥賦形剤を含有する過冷却された溶液の核形成温度の制御に使用できる。この実施例は、以下の賦形剤を伴う本方法の使用を実証する:マンニトール、ヒドロキシエチル澱粉(HES)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリビニルピロリドン(PVP)、デキストラン、グリシン、ソルビトール、スクロース、及びトレハロース。各賦形剤に関し、2個のバイアル瓶に5重量%の賦形剤を含有する溶液2.5mLを注入した。これらのバイアル瓶を、相互に接近させて、凍結乾燥機の棚に置いた。凍結乾燥機を、アルゴン雰囲気中で約14psigに加圧した。凍結乾燥機の棚を冷却してバイアル瓶の温度を−3℃近辺とし、次いで、急速に減圧して核形成を誘導した。結果を表8に纏めた。
Example 8-Effect of different excipients This method of controlling or inducing nucleation in a material can be used to control the nucleation temperature of a supercooled solution containing different lyophilized excipients. This example demonstrates the use of this method with the following excipients: mannitol, hydroxyethyl starch (HES), polyethylene glycol (PEG), polyvinylpyrrolidone (PVP), dextran, glycine, sorbitol, sucrose, and Trehalose. For each excipient, two vials were injected with 2.5 mL of a solution containing 5 wt% excipient. These vials were placed on the freeze dryer shelf in close proximity to each other. The lyophilizer was pressurized to about 14 psig in an argon atmosphere. The lyophilizer shelf was cooled to bring the vial temperature to around -3 ° C and then rapidly depressurized to induce nucleation. The results are summarized in Table 8.

Figure 2009525867
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実施例9−蛋白質溶液の核形成の制御
本明細書に開示された方法を、蛋白質の溶解度又は酵素活性に対するマイナス又は逆効果を伴わずに、過冷却された蛋白質溶液の核形成温度の制御に使用することができる。この実施例において、2種の蛋白質、ウシ血清アルブミン(BSA)と乳酸脱水素酵素(LDH)を使用した。
Example 9-Control of Nucleation of Protein Solution The method disclosed herein can be used to control the nucleation temperature of a supercooled protein solution without negative or adverse effects on protein solubility or enzyme activity. Can be used. In this example, two proteins, bovine serum albumin (BSA) and lactate dehydrogenase (LDH) were used.

BSAを、10mg/mLの濃度で5重量%のマンニトールに溶解させた。3個の凍結乾燥バイアル瓶に、BSA−マンニトール溶液2.5mLを注入し、相互に接近させて、凍結乾燥機の棚に置いた。凍結乾燥機を、アルゴン雰囲気中で約14psigに加圧した。凍結乾燥機の棚を冷却し、バイアル瓶の温度を−5℃近辺にした。凍結乾燥機を急速に減圧して核形成を誘導した。BSA溶液の全てのバイアル瓶は、減圧直後に核形成し、凍結し始めた。解凍の際に蛋白質の析出は観察されなかった。   BSA was dissolved in 5 wt% mannitol at a concentration of 10 mg / mL. Three freeze-dried vials were injected with 2.5 mL of BSA-mannitol solution, placed close to each other and placed on the freeze-dryer shelf. The lyophilizer was pressurized to about 14 psig in an argon atmosphere. The shelf of the freeze dryer was cooled and the temperature of the vial was brought to around -5 ° C. The lyophilizer was rapidly depressurized to induce nucleation. All vials of BSA solution nucleated immediately after depressurization and began to freeze. No protein precipitation was observed upon thawing.

LDH蛋白質を二人の異なる供給者から得て、明確にする目的で、2つの異なるバッチを区別するためにLDH−1又はLDH−2と名付けた。LDH−1を、1mg/mLの濃度で5重量%のマンニトールに溶解させた。6個の凍結乾燥バイアル瓶に、LDH−1/マンニトール溶液2.5mLを注入し、相互に接近させて、凍結乾燥機の棚に置いた。凍結乾燥機を、アルゴン雰囲気中で約14psigに加圧した。凍結乾燥機の棚を、室温から出発してバイアル瓶の温度が−4℃近辺になるまで冷却した。次いで、凍結乾燥機を急速に減圧して、核形成を誘導した。全てのバイアル瓶は、減圧直後に核形成し、凍結し始めた。バイアル瓶を、約15分間この状態に保持した。次いで、凍結乾燥機の棚を、ほぼ1℃/分の速度で冷却し、バイアル瓶の温度を−45℃近辺にして、更に15分間保持して凍結過程を確実に完了させた。凍結段階の後、次いで、凍結乾燥機の棚を約1℃/分の速度で暖め、バイアル瓶の温度を5℃近辺に上げた。解凍の際に蛋白質の析出は観察されなかった。バイアル瓶の内容物を酵素活性に関して検定し、これらの結果を、冷凍されていないLDH−l/マンニトール溶液の対照試料と比較した。   The LDH protein was obtained from two different suppliers and was named LDH-1 or LDH-2 to distinguish the two different batches for purposes of clarity. LDH-1 was dissolved in 5 wt% mannitol at a concentration of 1 mg / mL. Six freeze-dried vials were injected with 2.5 mL of LDH-1 / mannitol solution, placed close to each other and placed on the freeze-dryer shelf. The lyophilizer was pressurized to about 14 psig in an argon atmosphere. The lyophilizer shelf was cooled starting at room temperature until the vial temperature was around -4 ° C. The lyophilizer was then rapidly depressurized to induce nucleation. All vials nucleated immediately after decompression and began to freeze. The vial was held in this state for about 15 minutes. The freeze-dryer shelf was then cooled at a rate of approximately 1 ° C./min, the vial temperature was near −45 ° C. and held for an additional 15 minutes to ensure completion of the freezing process. After the freezing phase, the lyophilizer shelf was then warmed at a rate of about 1 ° C./min, and the vial temperature was raised to around 5 ° C. No protein precipitation was observed upon thawing. The contents of the vial were assayed for enzyme activity and these results were compared to a control sample of unfrozen LDH-1 / mannitol solution.

実施例9の一部として、減圧されて核形成したLDH−l/マンニトール溶液の試料を、確率論的に核形成した試料と比較した。確率論的に核形成したLDH−1の試料において、凍結の処置は、加圧と減圧を伴わずに、並びにアルゴン雰囲気を伴わずに、繰り返された。具体的には、LDH−1を、1mg/mLの濃度で5重量%のマンニトールに溶解させた。6個の凍結乾燥バイアル瓶に、LDH−l/マンニトール溶液2.5mLを注入し、相互に接近させて凍結乾燥機の棚に置いた。凍結乾燥機の棚を、室温から出発して約1℃/分の速度で冷却し、バイアル瓶の温度を−45℃近辺にして15分間保持し、凍結過程を確実に完了させた。凍結段階の後で、凍結乾燥機の棚を約1℃/分の速度で暖め、バイアル瓶の温度を5℃近辺に上げた。解凍の際、蛋白質の析出は観察されなかった。バイアル瓶の内容物を酵素活性に関して検定し、結果を、凍結されていないLDH−l/マンニトール溶液の同じ対照試料と比較した。やはり実施例9の一部として、LDH−2を用いて上記のLDH−1に関する実験を繰り返した。違いは、核形成温度が、LDH−1に対する−4℃ではなく、LDH−2に対する−3℃近辺だったことのみであった。   As part of Example 9, a sample of LDH-1 / mannitol solution that had been nucleated under reduced pressure was compared to a sample that stochastically nucleated. In probabilistic nucleated LDH-1 samples, the freezing procedure was repeated without pressurization and depressurization, and without an argon atmosphere. Specifically, LDH-1 was dissolved in 5 wt% mannitol at a concentration of 1 mg / mL. Six freeze-dried vials were injected with 2.5 mL of LDH-1 / mannitol solution and placed on the freeze-dryer shelf in close proximity to each other. The lyophilizer shelf was cooled at a rate of about 1 ° C./min starting from room temperature and the vial temperature was held near −45 ° C. for 15 minutes to ensure the freezing process was completed. After the freeze phase, the freeze dryer shelf was warmed at a rate of about 1 ° C./min and the vial temperature was raised to around 5 ° C. During thawing, no protein precipitation was observed. The contents of the vial were assayed for enzyme activity and the results were compared to the same control sample of unfrozen LDH-1 / mannitol solution. Again as part of Example 9, the above experiment on LDH-1 was repeated using LDH-2. The only difference was that the nucleation temperature was not around -3 ° C for LDH-2, but -4 ° C for LDH-1.

表9に見られる通り、減圧を介して達成された、制御された核形成と凍結過程は、比較の、確率論的な核形成及び凍結手順に対して、明らかに酵素活性を低下させていない。事実、減圧を介して達成された制御された核形成過程は、平均の活性損失がLDH−1に対して17.8%、LDH−2に対して26.5%のみであり、確率論的な核形成後、平均の活性損失がLDH−1に対して35.9%、LDH−2に対して41.3%であるのと比較して、酵素活性をより良く維持していると思われる。   As can be seen in Table 9, the controlled nucleation and freezing process achieved via reduced pressure does not clearly reduce enzyme activity over the comparative stochastic nucleation and freezing procedure. . In fact, the controlled nucleation process achieved through reduced pressure has a mean activity loss of only 17.8% for LDH-1 and only 26.5% for LDH-2, which is stochastic. After complete nucleation, the average activity loss seems to maintain better enzyme activity compared to 35.9% for LDH-1 and 41.3% for LDH-2 It is.

Figure 2009525867
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LDH−2に対して観察された確率論的な核形成温度が、LDH−1に対する確率論的な核形成温度より実質的に高かったことに注目すべきである。この差は、LDH−2中の、核化剤として作用する何等かの混入物に起因する可能性がある。LDH−1と比較して、LDH−2の方が、確率論的な核形成温度は制御された核形成温度にずっと近いが、それでも、LDH−1及びLDH−2に関して、制御された核形成を介して得られた酵素活性の保持における改良は、それぞれ、18.1%及び14.8%と類似している。この結果は、酵素活性の保持における改良は、減圧を介して得られる、所定のより高い核形成温度だけではなく、一部は、制御された核形成過程自身の特徴に帰し得ることを示唆している。   It should be noted that the stochastic nucleation temperature observed for LDH-2 was substantially higher than the stochastic nucleation temperature for LDH-1. This difference may be due to any contaminants in LDH-2 that act as nucleating agents. Compared to LDH-1, LDH-2 has a stochastic nucleation temperature much closer to the controlled nucleation temperature, but nevertheless for LDH-1 and LDH-2 controlled nucleation The improvement in retention of enzyme activity obtained through is similar to 18.1% and 14.8%, respectively. This result suggests that improvements in retention of enzyme activity can be attributed, in part, to the characteristics of the controlled nucleation process itself, as well as the predetermined higher nucleation temperature obtained through reduced pressure. ing.

実施例10−一次乾燥時間の低減
マンニトール約10.01gを水約190.07gと混合して、5重量%のマンニトール溶液を調製した。バイアル瓶に、5重量%のマンニトール溶液2.5mLを注入した。空の、及び溶液を入れたバイアル瓶を秤量して、バイアル瓶に加えられた水の質量を決定した。20個のバイアル瓶を、相互に接近させて、凍結乾燥機の棚上のラックの中に置いた。6個のバイアル瓶の温度を表面搭載熱電対を使用して監視した。全ての監視したバイアル瓶を他のバイアル瓶によって囲み、バイアル瓶の挙動の均一性を向上させた。凍結乾燥機を、アルゴンガスの制御された気体雰囲気中で約14psigに加圧した。凍結乾燥機の棚を室温から約−6℃に冷却して、バイアル瓶の温度を、ほぼ−1℃と−2℃の間にした。次いで、凍結乾燥機を、5秒かけずに約14psigから約大気圧まで減圧し、バイアル瓶内の溶液の核形成を誘導した。目視観察した、又は熱電対で監視した全てのバイアル瓶は、減圧直後に核形成し、凍結し始めた。
Example 10-Reduction of Primary Drying Time About 10.01 g of mannitol was mixed with about 190.07 g of water to prepare a 5 wt% mannitol solution. A vial was injected with 2.5 mL of a 5 wt% mannitol solution. Empty and filled vials were weighed to determine the mass of water added to the vial. Twenty vials were placed close together and placed in a rack on the lyophilizer shelf. The temperature of the six vials was monitored using a surface mount thermocouple. All monitored vials were surrounded by other vials to improve the uniformity of vial behavior. The lyophilizer was pressurized to about 14 psig in a controlled gaseous atmosphere of argon gas. The lyophilizer shelf was cooled from room temperature to about −6 ° C., and the vial temperature was between approximately −1 ° C. and −2 ° C. The lyophilizer was then depressurized from about 14 psig to about atmospheric pressure without taking 5 seconds to induce nucleation of the solution in the vial. All vials visually observed or monitored with thermocouples nucleated immediately after depressurization and began to freeze.

次いで、棚の温度を、急速に約−45℃に下げ、凍結過程を完了した。一旦全てのバイアル瓶の温度が約−40℃以下になると、凍結乾燥室を排気し、一次乾燥過程(即ち、昇華)を開始させた。この乾燥過程の間、凍結乾燥機の棚を、一時間かけて約−14℃に暖め、その温度に16時間保持した。乾燥過程を通して、コンデンサーを約−60℃に維持した。真空ポンプの電源を切って一次乾燥を停止させ、室にアルゴンを戻して大気圧にした。バイアル瓶を直ちに凍結乾燥機から取り外し、秤量して、一次乾燥過程の間にどれだけの水が失われたかを決定した。   The shelf temperature was then rapidly lowered to about −45 ° C. to complete the freezing process. Once the temperature of all vials was below about −40 ° C., the lyophilization chamber was evacuated and the primary drying process (ie, sublimation) was initiated. During this drying process, the freeze dryer shelf was warmed to about -14 ° C over 1 hour and held at that temperature for 16 hours. The condenser was maintained at about -60 ° C throughout the drying process. The vacuum pump was turned off to stop primary drying, and argon was returned to the chamber to atmospheric pressure. The vial was immediately removed from the lyophilizer and weighed to determine how much water was lost during the primary drying process.

実施例10の一部としての別の実験において、別のバイアル瓶に、同じ5重量%のマンニトール溶液2.5mLを注入した。空の、及び溶液を入れたバイアル瓶を秤量して、バイアル瓶に加えられた水の質量を決定した。バイアル瓶を、上記と同じやり方で凍結乾燥機中に載せ、6個のバイアル瓶の温度を、またもや、表面搭載熱電対を使用して監視した。凍結乾燥機の棚を、室温から約−45℃に急速に冷却し、バイアル瓶を凍結させた。冷却段階の間に、約−15℃と約−18℃の間で、核形成が確率論的に起こった。一旦全てのバイアル瓶の温度が約−40℃以下になったとき、上に記載した方法と同じやり方で、バイアル瓶を乾燥させた。一次乾燥の終結の際、試料を直ちに凍結乾燥機から取り外し、秤量して、一次乾燥過程の間にどれだけの水が失われたか決定した。   In another experiment as part of Example 10, another vial was injected with 2.5 mL of the same 5 wt% mannitol solution. Empty and filled vials were weighed to determine the mass of water added to the vial. The vials were placed in a lyophilizer in the same manner as above, and the temperature of the six vials was again monitored using a surface mount thermocouple. The lyophilizer shelf was rapidly cooled from room temperature to about −45 ° C. to freeze the vials. Nucleation occurred stochastically between about −15 ° C. and about −18 ° C. during the cooling phase. Once all the vials were below about −40 ° C., the vials were dried in the same manner as described above. At the end of primary drying, the sample was immediately removed from the freeze dryer and weighed to determine how much water was lost during the primary drying process.

Figure 2009525867
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制御された核形成及び確率論的な核形成を伴う凍結乾燥過程の結果を、表10に纏めた。これら2つの実験は、一つの実験に、減圧段階を介して制御された核形成を追加したことのみが違うことに注目すべきである。表10に見られる通り、減圧を介して達成された制御された核形成過程は、この実施例では約−1.1℃と−2.3℃の間という、非常に程度の低い過冷却において核形成させている。確率論的な核形成の場合と比較して、制御された核形成の場合に対するずっと高い核形成温度は、乾燥性能が劇的に改良された氷構造及び結果としての凍結されたケーキを生出す。同じ長さの乾燥時間に対して、約−1.1℃と−2.3℃の間で、開示された減圧方法を使用して核形成されたバイアル瓶は、平均してそれらの水の86.1%を失ったが、他方、約−14.5℃と−17.9℃の間で確率論的に核形成されたバイアル瓶は、平均して65.3%を失ったに過ぎなかった。従って、確率論的に核形成されたバイアル瓶に対して、ここに開示された方法に従って制御されたやり方で核形成されたバイアル瓶と同じ程度の水を失わせるためには、ずっと長い一次乾燥時間を必要とするであろう。乾燥時間の改良は、より高い核形成温度におけるより大きい氷結晶の形成に帰せられそうである。これらのより大きい氷結晶は昇華の際により大きい孔を残し、これらのより大きい孔は、更なる昇華の間に、水蒸気流に対して与える抵抗がより小さい。   The results of the lyophilization process with controlled nucleation and stochastic nucleation are summarized in Table 10. It should be noted that these two experiments differ only in the addition of a controlled nucleation through a decompression step to one experiment. As can be seen in Table 10, the controlled nucleation process achieved through vacuum is at a very low degree of subcooling, in this example between about −1.1 ° C. and −2.3 ° C. Nucleated. A much higher nucleation temperature for the controlled nucleation case as compared to the stochastic nucleation case yields ice structures and resulting frozen cakes with dramatically improved drying performance . For the same length of drying time, vials nucleated using the disclosed vacuum method between about -1.1 ° C and -2.3 ° C averaged their water Vials that lost 86.1%, but stochastically nucleated between about -14.5 ° C and -17.9 ° C lost only 65.3% on average. There wasn't. Thus, in order to cause a stoichiometrically nucleated vial to lose as much water as a nucleated vial in a controlled manner according to the method disclosed herein, a much longer primary drying Will take time. The improvement in drying time is likely to be attributed to the formation of larger ice crystals at higher nucleation temperatures. These larger ice crystals leave larger pores during sublimation, and these larger pores have less resistance to water vapor flow during further sublimation.

本方法は、過冷却された物質、即ち液体又は溶液が核形成し、次いで凍結する温度及び/又は時間の、改良された制御方法を提供する。この用途は、一つには凍結乾燥に焦点を当てているが、同様の問題は、核形成された相転移を含む任意の物質処理段階に対して生じる。この様な処理の例は、溶融物からのポリマー及び金属の結晶化、過飽和溶液からの物質の結晶化、蛋白質の結晶化、人工雪の産生、食品の凍結、凍結濃縮、分別結晶化、低温保存、又は液体への蒸気の凝縮を包含する。   The method provides an improved method of controlling the temperature and / or time at which the supercooled material, ie, liquid or solution, nucleates and then freezes. Although this application focuses in part on lyophilization, a similar problem arises for any material processing step involving nucleated phase transitions. Examples of such treatments are polymer and metal crystallization from melts, material crystallization from supersaturated solutions, protein crystallization, artificial snow production, food freezing, freeze concentration, fractional crystallization, low temperature Includes storage, or condensation of the vapor into a liquid.

液体又は溶液の核形成温度を制御することの最も直接的利益は、相転移によって産生される固体ドメインの数及びサイズを制御できる能力である。例えば、凍結しつつある水において、核形成温度は、形成される氷結晶のサイズと数を直接制御する。一般的に言えば、核形成温度がより高いとき、氷結晶は数がより少なく、サイズがより大きい。   The most direct benefit of controlling the nucleation temperature of a liquid or solution is the ability to control the number and size of solid domains produced by the phase transition. For example, in water that is freezing, the nucleation temperature directly controls the size and number of ice crystals formed. Generally speaking, when the nucleation temperature is higher, ice crystals are smaller in number and larger in size.

相転移によって産生される固体ドメインの数及びサイズを制御する能力は、追加の利益を提供する可能性がある。例えば、凍結乾燥過程において、氷結晶の数及びサイズは、凍結乾燥ケーキの乾燥特性に強く影響する。より高い核形成温度によって産生されたより大きい氷結晶は、昇華の際により大きい孔を残し、そして、引き続く昇華の間、より大きい孔は水蒸気の流れに対してより小さい抵抗を与える。この様に、本方法は、核形成温度を上げることによって、凍結乾燥過程における一次乾燥(即ち、昇華)速度を増大させる手段を提供する。   The ability to control the number and size of solid domains produced by phase transitions may provide additional benefits. For example, in the lyophilization process, the number and size of ice crystals strongly affects the drying characteristics of the lyophilized cake. Larger ice crystals produced by higher nucleation temperatures leave larger pores during sublimation and the larger pores provide less resistance to water vapor flow during subsequent sublimation. Thus, the present method provides a means to increase the primary drying (ie sublimation) rate during the lyophilization process by increasing the nucleation temperature.

もう一つの可能性のある利益は、凍結過程を介して繊細な物質を保存する(即ち、低温保存)用途において実現されてよい。例えば、以下に限定はされないが、水溶液中で凍結された、哺乳類組織の試料(例えば、臍帯血、組織生検、卵細胞及び精子細胞等)、細胞株(例えば、哺乳動物の、酵母の、原核生物の、真菌の、その他の細胞株)及び生物分子(例えば、蛋白質、DNA、RNA及びそれらの亜網)を包含する生体物質は、凍結過程の間に様々な応力を体験する可能性があり、これは、その物質の機能または活性を損なう可能性がある。氷の形成は、物質を物理的に崩壊させる、又は、物質が経験する界面結合、浸透圧、溶質濃度等の激しい変化を造り出す可能性がある。核形成は、氷形成の構造と動力学を制御するので、それは、これらの応力に顕著に影響を与え得る。それ故、ここに開示した方法は、低温保存過程に付随する応力を緩和する、及び低温保存された物質からの機能又は活性の回復を向上させる、独特の手段を提供する。本方法は、生体細胞に対して設計された2段階低温保存アルゴリズムにおける細胞外氷形成を開始させるために使用される従来の核形成制御方法{例えば、種蒔き又は冷たい表面との接触}に対しても、改良を示している。   Another potential benefit may be realized in applications that store sensitive materials (ie, cryopreservation) via a freezing process. For example, but not limited to, mammalian tissue samples (eg, umbilical cord blood, tissue biopsy, egg cells and sperm cells), cell lines (eg, mammalian, yeast, prokaryotic cells) frozen in aqueous solution Biological materials, including biological, fungal, and other cell lines) and biological molecules (eg, proteins, DNA, RNA and their subnets) may experience various stresses during the freezing process. This can impair the function or activity of the substance. Ice formation can physically disrupt the material or create drastic changes in the interfacial bonding, osmotic pressure, solute concentration, etc. experienced by the material. Since nucleation controls the structure and dynamics of ice formation, it can significantly affect these stresses. Thus, the disclosed method provides a unique means of relieving stress associated with the cryopreservation process and improving the recovery of function or activity from cryopreserved materials. This method is in contrast to traditional nucleation control methods {eg, sowing or contacting with cold surfaces) used to initiate extracellular ice formation in a two-step cryopreservation algorithm designed for living cells. Even shows an improvement.

本方法は、低温保存及び凍結乾燥の両用途において、幾つかの成分を含有する複雑な溶液又は混合物にも適用可能である。これらの処方物は、水性、有機、又は水−有機混合溶媒を伴う、薬剤として活性な成分(例えば、合成試薬、蛋白質、ペプチド、又はワクチン)、及び随意に、乾燥の間の活性成分の物理的損失を防ぐことを助けるバルク剤(例えば、デキストロース、グルコース、グリシン、ラクトース、マルトース、マンニトール、ポリビニルピロリドン、塩化ナトリウム、及びソルビトール);活性成分に対する適切な環境pH又は毒性の維持を助ける緩衝剤又は毒性調整剤(例えば、酢酸、安息香酸、クエン酸、塩酸、乳酸、マレイン酸、燐酸、酒石酸、及び既述の酸のナトリウム塩);加工の間、又は最終的な液体又は乾燥形状において、活性成分の構造又は機能を保持することを助ける安定化剤(例えば、アラニン、ジメチルスルホキシド、グリセロール、グリシン、ヒト血清アルブミン、ポリエチレングリコール、リジン、ポリソルベート、ソルビトール、スクロース、及びトレハロース);処方物のガラス転移挙動を改変する薬剤(例えば、ポリエチレングリコール及び糖)、及び活性成分を劣化から保護する酸化防止剤(例えば、アスコルビン酸塩、亜硫酸水素ナトリウム、ナトリウムホルムアルデヒド、メタ重亜硫酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、スルホキシル酸塩、及びチオグリセロール)を包含する一以上の緩和成分を含有する、溶液であることが多い。   The method is also applicable to complex solutions or mixtures containing several components in both cryopreservation and lyophilization applications. These formulations are pharmaceutically active ingredients (eg, synthetic reagents, proteins, peptides, or vaccines) with aqueous, organic, or water-organic mixed solvents, and optionally the physical properties of the active ingredient during drying. Bulking agents (eg, dextrose, glucose, glycine, lactose, maltose, mannitol, polyvinylpyrrolidone, sodium chloride, and sorbitol) that help prevent chemical loss; buffering agents that help maintain an appropriate environmental pH or toxicity for the active ingredient Toxicity modifiers (eg acetic acid, benzoic acid, citric acid, hydrochloric acid, lactic acid, maleic acid, phosphoric acid, tartaric acid, and sodium salts of the aforementioned acids); active during processing or in the final liquid or dry form Stabilizers that help retain the structure or function of the ingredients (eg, alanine, dimethyl sulfoxide, Rolls, glycine, human serum albumin, polyethylene glycol, lysine, polysorbate, sorbitol, sucrose, and trehalose); agents that modify the glass transition behavior of the formulation (eg, polyethylene glycol and sugar), and protect the active ingredient from degradation It may be a solution containing one or more relaxation ingredients including antioxidants (eg, ascorbate, sodium bisulfite, sodium formaldehyde, sodium metabisulfite, sodium sulfite, sulfoxylate, and thioglycerol) Many.

核形成は典型的にはランダム過程なので、同一の処理条件に晒された複数の同じ物質は異なる温度で核形成するかもしれない。結果として、核形成の挙動に依存するこれらの物質の特性は、同一の処理条件にも拘らず、おそらく異なるであろう。開示した方法は、複数の物質の核形成温度を同時に制御する方法を提供し、それにより、核形成の挙動に依存するそれら産生物の特性の均一性を増大させるやり方を提示する。典型的な凍結乾燥過程において、例えば、別個のバイアル瓶中の同じ溶液は、広い範囲の温度にわたって確率論的に核形成する可能性があり、そして、結果的に、最終的な、凍結乾燥された産生物は、残留水分、活性及び液体状に戻す時間の様な重要な特性において、顕著な変動性を持つ可能性がある。ここに開示した過程を介して核形成温度を制御することにより、凍結乾燥過程に由来する産生物の特性の、瓶対瓶の均一性を劇的に改良することができる。   Since nucleation is typically a random process, multiple identical materials exposed to the same processing conditions may nucleate at different temperatures. As a result, the properties of these materials that depend on the nucleation behavior will probably be different, despite the same processing conditions. The disclosed method provides a way to control the nucleation temperature of multiple substances simultaneously, thereby presenting a way to increase the uniformity of their product properties that depend on the nucleation behavior. In a typical lyophilization process, for example, the same solution in separate vials can probabilistically nucleate over a wide range of temperatures and, as a result, the final, lyophilized Products may have significant variability in important properties such as residual moisture, activity and time to return to liquid. By controlling the nucleation temperature through the process disclosed herein, the bottle-to-bottle uniformity of the product characteristics resulting from the lyophilization process can be dramatically improved.

物質の核形成挙動を制御する能力は、普通の制御されていない核形成事象次第で決められる工業的な過程を開発するために必要な時間の低減において、実質的な利益も提供する可能性がある。例えば、妥当な長さの時間で達成でき、指定された均一性の範囲内で所望の産生物特性を生出し、及び医薬品有効成分(API)の十分な活性を持続する、成功と言える凍結乾燥サイクルを開発するために、何ヶ月もかかることが多い。核形成の制御手段を提供することにより、また、それによって一次乾燥時間、産生物の均一性、及びAPI活性を潜在的に改良することにより、本方法は、成功と言える乾燥凍結手順を開発するために必要な時間を劇的に低減させるに違いない。   The ability to control a material's nucleation behavior may also provide substantial benefits in reducing the time required to develop an industrial process that depends on normal uncontrolled nucleation events. is there. For example, successful lyophilization that can be achieved in a reasonable amount of time, produces desired product properties within a specified homogeneity range, and maintains sufficient activity of an active pharmaceutical ingredient (API). It often takes months to develop a cycle. By providing a means of controlling nucleation and thereby potentially improving primary drying time, product homogeneity, and API activity, the method develops a successful dry freezing procedure. The time required for this must be drastically reduced.

特に、本核形成過程の潜在的な利益は、凍結乾燥されるべき処方物の組成の特定において、増大された柔軟性を提供する。制御された核形成は凍結段階の間、APIをより良く保持することができるので、ユーザーは、処方物への緩和構成要素(例えば、安定剤)の添加を最小にすること、又は、より単純な処方構成要素の組合せを選択して、安定性と処理の組み合わされた目的を達成することができるに違いない。制御された核形成が、生得的に一次乾燥時間を長くする(例えば、水溶液のガラス転移温度を低下させることによって)安定剤又は他の緩和構成要素の使用を最小にする場合は、相乗的な利益が発生する可能性がある。   In particular, the potential benefits of the nucleation process provide increased flexibility in identifying the composition of the formulation to be lyophilized. Since controlled nucleation can better retain the API during the freezing phase, users can minimize the addition of relaxation components (eg, stabilizers) to the formulation, or more simply It must be possible to select a combination of prescription components to achieve the combined stability and processing objectives. Synergistic if controlled nucleation inherently increases the primary drying time (eg, by reducing the glass transition temperature of the aqueous solution) and minimizes the use of stabilizers or other relaxation components. Profits can be generated.

開示した方法は、大規模な生産又は製造操作に対して特に良く適している。それは、広い範囲の産生物の製造に容易に増大又は適応できる、同じ設備及びプロセスパラメータを使用して行うことができるからである。本過程は、全ての操作を単一の室(例えば、凍結乾燥機)中で行うことができる過程、及び核形成を誘導するために真空の使用、添加剤、振動、電気凍結等の使用を要求しない方法を使用して、物質の核形成に対する手段を講じる。   The disclosed method is particularly well suited for large scale production or manufacturing operations. This is because it can be performed using the same equipment and process parameters that can be easily augmented or adapted to the production of a wide range of products. This process involves the process where all operations can be performed in a single chamber (eg lyophilizer) and the use of vacuum, additives, vibration, electric freezing etc. to induce nucleation. Take steps to nucleate matter using methods that do not require it.

従来技術とは対照的に、本方法は、凍結乾燥された産出物に何も加えない。その方法は、物質(例えば、バイアル瓶中の液体)を、気体雰囲気下で、当初特定の圧力に保持し、その圧力を急速に降下させてより低い圧力にすることだけを要求する。任意の適用された気体は、凍結乾燥サイクルの間に、バイアル瓶から除去されるであろう。バイアル瓶又はそれらの内容物は、気体を除いて、何物にも接触する又は触れることはない。周囲圧力と気体環境の単純な操作が、それだけで、その目標を達成するために十分である。周囲圧力の変化のみに頼って核形成を誘導することにより、ここに開示された本方法は、凍結乾燥機内の全てのバイアル瓶に、均一に、かつ同時に、影響を及ぼす。   In contrast to the prior art, the method does not add anything to the lyophilized product. The method only requires that the material (eg, liquid in a vial) be initially held at a specific pressure under a gaseous atmosphere and that the pressure be rapidly reduced to a lower pressure. Any applied gas will be removed from the vial during the lyophilization cycle. The vials or their contents do not touch or touch anything except gas. Simple manipulation of ambient pressure and gaseous environment by itself is sufficient to achieve that goal. By inducing nucleation relying solely on changes in ambient pressure, the presently disclosed method affects all vials in the lyophilizer uniformly and simultaneously.

本実施態様は、また、凍結乾燥用途において物質中の核形成に影響を与える従来の方法より安価であり、かつ実施及び維持が容易である。本方法は、凍結乾燥過程において顕著により早い一次乾燥を可能にし、それによって、凍結乾燥された薬剤に対する処理コストを低減させる。本方法は、従来の方法より遥かに均一な凍結乾燥された産生物を産生し、それによって、製品の損失を低減させ、及び、より厳しい均一性仕様に応えられない処理業者の参入に対する障壁を造り出す。この方法は、凍結乾燥された産生物を汚染することなく、これらの利益を勝取る。課程のより大きい制御は、産出物の改良及び過程の時間の短縮をもたらすに違いない。   This embodiment is also cheaper and easier to implement and maintain than conventional methods that affect nucleation in materials in lyophilization applications. The method allows for significantly faster primary drying during the lyophilization process, thereby reducing processing costs for the lyophilized drug. The method produces a lyophilized product that is much more uniform than conventional methods, thereby reducing product loss and barriers to entry of processors that cannot meet the more stringent uniformity specifications. Create. This method wins these benefits without contaminating the lyophilized product. Greater control of the process must result in improved output and reduced process time.

上述したことから、本発明が、斯くして、物質中の核形成の誘導方法、及び/又は物質の凍結方法を提供することを認識すべきである。本方法の種々の修正、変更、及び変形が当業者に明らかと思われ、また、このような修正、変更、及び変形が、この出願の視界、並びに特許請求の範囲の精神及び技術的範囲に包含されるべきことを理解すべきである。   From the foregoing, it should be appreciated that the present invention thus provides a method for inducing nucleation in a material and / or a method for freezing a material. Various modifications, changes, and variations of the method will be apparent to those skilled in the art, and such modifications, changes, and variations are within the scope of this application and the spirit and scope of the claims. It should be understood that it should be included.

確率論的な核形成過程を経ている溶液の、温度対時間を描写する、及び更にその溶液の核形成温度の範囲を示すグラフである。FIG. 5 is a graph depicting temperature versus time for a solution undergoing a probabilistic nucleation process and further illustrating the range of nucleation temperatures for the solution. 本方法に合致する減圧された核形成に伴う平衡化冷却過程を経ている溶液の、温度対時間を描写するグラフである。FIG. 5 is a graph depicting temperature versus time for a solution undergoing an equilibration cooling process with reduced nucleation consistent with the present method. 本方法に合致する減圧された核形成に伴う動的な冷却過程を経ている溶液の、温度対時間を描写するグラフである。FIG. 4 is a graph depicting temperature versus time for a solution undergoing a dynamic cooling process with reduced pressure nucleation consistent with the present method.

Claims (33)

物質を相転移温度の近辺又は該相転移温度よりも下の温度にもって行く段階と、
前記物質の直近の圧力を降下させて、前記物質中に相転移の核形成を誘導する段階と、
を含む物質中に相転移の核形成を誘導する方法。
Bringing the substance to a temperature near or below the phase transition temperature; and
Reducing the immediate pressure of the material to induce nucleation of phase transitions in the material;
A method of inducing nucleation of a phase transition in a substance containing
前記物質を冷却して準安定状態にする請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the material is cooled to a metastable state. 減圧後に前記核形成した物質を、最終又はそれより低い温度に冷却し続けて、その物質の相転移を確実に完成させる段階を更に含む請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising continuing to cool the nucleated material after depressurization to a final or lower temperature to ensure that the phase transition of the material is complete. 減圧を、前記物質が所望の核形成温度に到達した時に開始する請求項1に記載の方法。   2. A method according to claim 1 wherein depressurization is initiated when the material reaches a desired nucleation temperature. 減圧を、前記冷却段階の開始後所望の時間、及び前記物質の温度が前記相転移温度より下の時に開始する請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the depressurization is initiated for a desired time after the start of the cooling phase and when the temperature of the material is below the phase transition temperature. 前記物質を液体状に戻す段階を更に含む請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising returning the material to a liquid state. 前記物質が、気体、液体、溶液、懸濁物、混合物、又は懸濁物、溶液、若しくは混合物の構成要素から成る群から選択される請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the substance is selected from the group consisting of a gas, a liquid, a solution, a suspension, a mixture, or a component of a suspension, solution, or mixture. 前記物質が溶液であり、及び前記相転移温度が前記溶液の熱力学的凝固点である請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the material is a solution and the phase transition temperature is a thermodynamic freezing point of the solution. 前記物質が一以上の溶解された材料を伴う溶液であり、また、前記相転移温度が、溶解された材料が前記溶液から析出又は結晶化するであろう飽和温度である請求項1に記載の方法。   2. The material of claim 1, wherein the substance is a solution with one or more dissolved materials, and the phase transition temperature is a saturation temperature at which the dissolved materials will precipitate or crystallize from the solution. Method. 前記物質が生物薬剤物質、薬剤物質、化学物質、生体物質、食材、又はこれらの組合せを更に含む請求項7に記載の方法。   The method of claim 7, wherein the substance further comprises a biopharmaceutical substance, a drug substance, a chemical substance, a biological substance, a foodstuff, or a combination thereof. 前記物質を気体雰囲気の存在下に閉じ込める請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the substance is confined in the presence of a gaseous atmosphere. 前記気体雰囲気がアルゴン、窒素、ヘリウム、空気、水蒸気、酸素、二酸化炭素、ネオン、キセノン、クリプトン、水素、又はそれらの混合物を含む請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, wherein the gaseous atmosphere comprises argon, nitrogen, helium, air, water vapor, oxygen, carbon dioxide, neon, xenon, krypton, hydrogen, or mixtures thereof. 前記物質を取り囲む前記雰囲気を加圧する段階を更に含む請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, further comprising pressurizing the atmosphere surrounding the material. 減圧に先立って、前記物質を、先ず、前記相転移温度から相転移温度よりも20℃下の範囲の温度に冷却する請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein prior to depressurization, the material is first cooled from the phase transition temperature to a temperature in the range of 20 ° C. below the phase transition temperature. 減圧に先立って、前記物質を、前記相転移温度から相転移温度よりも約5℃下の範囲の温度に冷却する請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein prior to depressurization, the material is cooled to a temperature in the range of about 5 ° C. below the phase transition temperature from the phase transition temperature. 前記圧力を約14psi以上の量降下させる請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the pressure is reduced by an amount greater than about 14 psi. 前記圧力を約7psiより大きい量降下させる請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the pressure is reduced by an amount greater than about 7 psi. 前記圧力を、絶対圧力比、Pi/Pfが約1.2以上である様に降下させる請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the pressure is lowered such that the absolute pressure ratio, Pi / Pf, is about 1.2 or greater. 前記圧力を、秒当たり約0.2psiより大きい圧力落下速度、△P/△tで降下させる請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the pressure is reduced at a pressure drop rate greater than about 0.2 psi per second, ΔP / Δt. 前記圧力を40秒以下で降下させる請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the pressure is reduced in 40 seconds or less. 前記物質が、生きている又は弱毒化したウイルス;核酸;モノクローナル又はポリクローナル抗体;生体分子;非ペプチド類縁体;ペプチド;及び蛋白質を含む成分を含有する請求項6に記載の方法。   7. The method of claim 6, wherein the substance comprises a component comprising a live or attenuated virus; a nucleic acid; a monoclonal or polyclonal antibody; a biomolecule; a non-peptide analog; a peptide; 前記液体状に戻された物質の成分が、出発物質の成分に付随する機能又は活性に類似する機能又は活性を示す請求項21に記載の方法。   The method of claim 21, wherein the component of the material returned to the liquid state exhibits a function or activity similar to the function or activity associated with the component of the starting material. 前記液体状に戻された物質の成分が、確率論的に核形成した物質の成分に付随する機能又は活性に対して改良された機能又は活性を示す請求項21に記載の方法。   The method of claim 21, wherein the component of the material returned to a liquid state exhibits an improved function or activity relative to the function or activity associated with the stochastically nucleated material component. 前記液体状に戻された物質の成分が、出発物質の成分に付随する構造に類似する構造を示す請求項21に記載の方法。   The method of claim 21, wherein the component of the material returned to the liquid state exhibits a structure similar to the structure associated with the component of the starting material. 前記物質が複数の容器中に保持され、全ての容器に由来する前記液状に戻された物質が均一な特性を示す請求項21に記載の方法。   The method of claim 21, wherein the substance is retained in a plurality of containers, and the returned liquid substance from all containers exhibits uniform properties. 物質を所定の冷却速度で冷却する段階と、
圧力を急速に降下させて物質を核形成させる段階と、
前記核形成された物質の冷却を所定の最終温度まで継続して、前記物質を完全に凍結させる段階と、
を含む物質の凍結過程の制御方法。
Cooling the substance at a predetermined cooling rate;
Nucleating the material by rapidly reducing the pressure;
Continuing to cool the nucleated material to a predetermined final temperature to completely freeze the material;
For controlling the freezing process of a substance containing.
前記物質が所望の核形成温度に到達したとき減圧を開始する請求項26に記載の方法。   27. The method of claim 26, wherein depressurization is initiated when the material reaches a desired nucleation temperature. 減圧を、前記冷却段階の開始後所望の時間で、かつ前記物質の温度が前記相転移温度より下のときに開始する請求項26に記載の方法。   27. The method of claim 26, wherein depressurization is initiated at a desired time after the beginning of the cooling phase and when the temperature of the material is below the phase transition temperature. 物質を相転移温度の近辺又は該相転移温度よりも下の温度に冷却する段階と、
前記物質直近の圧力を降下させて前記物質の核形成を誘導する段階と、
前記核形成された物質の冷却を所定の最終温度まで継続して、前記物質の固化を促進する段階と、
を含む固化方法。
Cooling the material to a temperature near or below the phase transition temperature;
Reducing the pressure in the immediate vicinity of the material to induce nucleation of the material;
Continuing cooling of the nucleated material to a predetermined final temperature to promote solidification of the material;
Solidification method including.
前記物質が一以上の溶解された材料を有する溶液であり、及び、前記物質に直近の圧力を降下させる段階が、前記溶液に直近する圧力を降下させて、前記溶液中の一以上の材料の相転移の核形成を誘導することを更に含む請求項29に記載の固化方法。   The substance is a solution having one or more dissolved materials, and the step of reducing the pressure closest to the substance reduces the pressure closest to the solution to reduce the pressure of the one or more materials in the solution; 30. The solidification method of claim 29, further comprising inducing phase transition nucleation. 気体を相転移温度の近辺又は該相転移温度よりも下の温度に冷却する段階と、
圧力を降下させて、前記気体内に相転移の核形成を誘導する段階と、
前記核形成された気体の冷却を所定の最終温度まで継続して前記気体を凝縮させる工程と、
を含む気体の凝縮過程の制御方法。
Cooling the gas to a temperature near or below the phase transition temperature;
Reducing the pressure to induce nucleation of phase transitions in the gas;
Continuing the cooling of the nucleated gas to a predetermined final temperature to condense the gas;
Control method for condensing gas including
物質を相転移温度の近辺又は該相転移温度よりも上の温度に温める段階と、
前記物質に直近の圧力を降下させて前記物質の相転移を誘導する段階と、
を含む物質の相転移の誘導方法。
Warming the material to a temperature near or above the phase transition temperature;
Inducing a phase transition of the substance by lowering the immediate pressure on the substance;
A method for inducing a phase transition in a substance containing
加圧された気体雰囲気中で、物質を相転移温度近辺の温度にもってゆく段階と、
前記圧力を降下させて前記物質の相転移を誘導する段階と、
を含む物質の相転移方法。
Bringing the substance to a temperature near the phase transition temperature in a pressurized gas atmosphere;
Reducing the pressure to induce a phase transition of the substance;
A phase transition method for a substance containing
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